열역학 Fundamentals of Thermodynamics(7/e) RICHARD E 열역학 Fundamentals of Thermodynamics(7/e) RICHARD E. SONNTAG CLAUS BORGNAKKE GORDON J. VAN WYLEN Chapter 2

2장 검사체적과 단위 열역학에 대한 정의 - 에너지와 엔트로피의 과학 - 열과 일, 그리고 이와 관련된 물질의 상태량을 다루는 학문

2.1 열역학 시스템과 검사체적 열역학 시스템(thermodynamic system) : 연구 대상인 일정량의 물질을 포함하는 장치 또는 이러한 장치들의 조합 검사체적(control volume) : 열역학 시스템 자체 또는 그 일부분 으로 해석시 관심의 대상이 되는 영역 주위(surrounding) : 검사 체적 외부의 모든 것 검사면(control surface) : 검사 체적과 주위를 분리하는 면 검사질량(control mass) : 검사면이 질량 유동에 대하여 밀폐되어 질량이 검사 체적으로 유입 또는 유출될 수 없을 때 시스템의 질량 밀폐 시스템(closed system) : 질량이 동일한 시스템 개방시스템(open system) : 질량의 출입이 있는 시스템

2.1 열역학 시스템과 검사체적

2.2 거시적 관점과 미시적 관점 미시적 관점(microscopic point of view) - 분자 역학적으로 시스템의 거동을 서술 - 시스템의 거동을 기술하려면 수 많은 식을 다루어야 함 ex) 한변의 길이가 25mm인 정육면체 안에 있는 단원자 분자를 미시적 관점으로 기술하려면 최소한 6 x 1020개의 식이 필요 거시적 관점(macroscopic point of view) - 통계 원리와 확률 이론에 근거하여 평균값 사용 - 많은 입자의 집단 효과 또는 평균 효과를 취급 ex) 용기 안의 기체가 벽에 충돌하면 거시적 관점에서 주어진 면적 에 작용하는 시간-평균 힘이며, 이 힘은 압력으로 나타난다.

2.2 거시적 관점과 미시적 관점 연속체(continuum) - 거시적 관점에서 다루는 체적은 분자 크기에 비해 매우 크다. - 물질을 연속으로 가정하고 개별적인 분자 운동은 무시 대부분의 공학 문제에서 연속체의 가정은 타당하고 편리하며 거시적 관점과도 일치한다. 고진공(high vacuum) 상태와 같이 분자의 평균 자유 행로(mean Free path)가 용기 치수의 크기가 되면 연속체 가정은 타당하지 않다.

2.3 물질의 상태와 상태량 상(phase) : 고체, 액체, 기체 상태(state) : 어떤 관측 가능한 거시적 상태량으로 결정 상태량(property) : 시스템의 상태를 결정하는 양 강성적 상태량(intensive property) : 질량과 무관한 상태량 Ex) 온도, 압력, 밀도, 비체적 종성적 상태량(extensive property) : 질량에 직접 비례하는 상태량 Ex) 질량, 체적 열평형(thermal equilibrium) : 전 시스템에 걸쳐 온도가 같을 때. 역학평형(mechanical equilibrium) : 전 시스템에 걸쳐 압력이 같을 때.

2.4 과정과 사이클 과정(process) : 시스템이 거쳐가는 상태의 연속적 경로 준평형 과정(quasi-equilibrium process) 비평형 과정(non- equilibrium process)

2.4 과정과 사이클 과정이 진행되는 동안 하나의 상태량이 변하지 않는 과정 과정이 진행되는 동안 하나의 상태량이 변하지 않는 과정 Ex) 등온(isothermal) 또는 정온 과정 : 온도가 일정한 과정 등압(isobaric) 또는 정압 과정 : 압력이 일정한 과정 등적(isochoric) 또는 정적 과정 : 체적이 일정한 과정 사이클(cycle) : 여러 경로를 거쳐 초기 상태로 돌아온 과정 사이클의 최종 상태에서 모든 상태량은 시스템의 초기 상태와 각각 같아야 한다. Ex) 증기동력 발전소에서 순환하는 수증기(물)

2.5 질량, 길이, 시간 및 힘의 단위 시간의 기본 단위 : 초(s) 길이의 기본 단위 : 미터(m) 질량의 기본 단위 : 킬로그램(kg) 접두어(prefix) : 표 2.1 인자 접두어 기호 1012 tera T 10-3 milli m 109 giga G 10-6 micro 106 mega M 10-9 nano n 103 kilo k 10-12 pico p

2.5 질량, 길이, 시간 및 힘의 단위 힘의 단위 : Newton(N), 1 N = 1 kg m/s2 Newton의 제2법칙 : F=ma SI 단위계(Le Systeme International d’Units) 영국 공학 단위계 1) 길이 – feet(ft) : 1 ft = 0.3048 m 2) 질량 – pound(lb) : 1 lbm = 0.453592 kg 무게(중량, weight)의 기본 단위 1) 질량과 혼돈 2) 힘의 의미 3) 1kgf = 9.8 N

2.6 에너지 에너지(energy) : 어떤 효과를 유발할 수 있는 능력.  열역학 제1법칙에서 정의할 것임 분자 관점에서 기체가 갖는 에너지는 세가지 형태로 존재 1) 분자 사이에 작용하는 힘에 관한 분자 위치 에너지  밀도가 매우 낮은 이상기체의 경우 위치 에너지 무시 2) 개별적인 분자의 병진운동에 관한 분자 운동 에너지  분자의 질량과 속도에 의해 결정 3) 분자 및 원자의 구조와 힘에 관한 분자 내부 에너지  전자에너지, 회전에너지, 진동에너지

2.7 비체적과 밀도 비체적(specific volume) : 단위 질량당 체적, v, m3/kg 밀도(density) : 단위 체적당 질량, 비체적의 역수, , kg/m3 몰 기준 상태량 : 기호 위에 막대 기호(-)를 붙인다.

2.7 비체적과 밀도

2.7 비체적과 밀도 예제 2.2

2.8 압력 압력(pressure) : 단위 면적에 작용하는 힘의 수직 성분 움직이는 않는 유체의 한 점에서의 압력은 모든 방향으로 동일 SI 단위 : Pascal(Pa), 1 Pa = 1 N/m2 일반적으로 사용되는 단위 : 1 bar = 100 000 Pa =0.1 MPa 1 atm = 101 325 Pa

2.8 압력 절대 압력(absolute pressure) : 열역학 문제에서 사용되는 압력 계기 압력(gauge pressure) : 대부분의 압력계와 진공계로 측정하는 값으로 절대압력과 대기압과의 차이이다.

2.8 압력 마노미터(manometer) : 간단한 압력 측정 장치, 대기압보다 다소 낮거나 높은 차압을 측정하는 데 사용 점 B에 작용하는 힘 탱크 압력에 의한 힘 

2.8 압력 예제 2.6

2.9 온도의 동등성 온도(temperature) : 물질의 차갑고 따듯한 정도 온도의 동등성 : 열교류가 가능하도록 접촉한 두 물체에서 관찰이 가능한 상태량에 아무런 변화가 없을 때 두 물체의 온도가 같다.

2.10 열역학 제0법칙 열역학 제0법칙 : 두 물체의 온도가 제3의 물체의 온도와 각각 같으면 두 물체의 온도도 같다. 각각 같으면 두 물체의 온도도 같다. 이 법칙은 다른 법칙으로부터 유도할 수 없다. 열역학 제0법칙은 온도 측정의 기초이다.

2.11 온도 척도 섭씨 온도 척도(Celsius scale) : 백분도 척도, oC 얼음점(0)과 수증기점(100)을 기준 온도 화씨 온도 척도 (Fahrenheit scale) : oF 얼음점(32)과 수증기점(212)을 기준 온도 절대 온도 척도(Absolute scale) : K = oC + 273.15 R = oF + 459.67

2.12 공학 응용 그림 2.17 : 에어 컴프레서

2.12 공학 응용 그림 2.21 : 마노미터(manometer), 피토관(Pitot tube)

2.12 공학 응용 그림 2.23 : 열전대(thermocouple)

2.12 공학 응용 그림 2.24 : 서미스터(thermister)

2장 Homework 개념 문제 : 2.5, 2.15 (p.38) 과제용 문제 : 2.70, 2.75 (p.43)