5주차 열역학 제2법칙 에너지이동의 방향성

에너지 보존 법칙만으로 충분한가? W Q ? Q W

Kelvin-Planck 서술 “사이클을 수행한 효과가 하나의 열저장조와 열을 교환하면서 무게추를 들어올리는 것밖에 없는 장치를 제작하는 것은 불가능하다.” ; 열기관으로부터 열이전달되는 저온물체가 있어야 한다. ; 열효율 100%인 열기관은 제작할 수 없다.

Clausius 서술 “사이클을 수행한 효과가 저온물체로부터 고온물체로 열을 전달하는 것밖에 없는 장치를 제작하는 것은 불가능하다.” ; 일의 입력이 있어야 한다. ; 성능계수가 무한대일 수 없다.

두 서술에 대한 관찰 1. 부정적 서술이다. – 수학적 증명은 불가능 - 경험적 증거에 근거 2. 두 서술은 동등하다. ; Clausius 서술 위배 → Kelvin-Planck 서술 위반 ?

Clausius “열은 그 자체만으로는 저온물체로부터 고온물체로 이동할 수 없다 Clausius “열은 그 자체만으로는 저온물체로부터 고온물체로 이동할 수 없다.” Heat Pump : 저온의 물체에서 고온의 물체로 열을 이동시키는 장치 Kelvin-Planck “자연계에 아무 변화를 남기지 않고 어느 열원의 열을 계속해서 일로 바꿀수는 없다.” -> 열손실은 존재할 수 밖에 없으므로 열효율 100%인 열기관은 있을 수 없다. Ostwald 열역학 제 2법칙 “자연계에 아무 변화를 남기지 않고 어느 열원의 열을 계속해서 일로 바꾸는 제2종 영구기관은 존재하지 않는다.” 제1종 영구기관 : 에너지 공급없이 일을 하는 장치 제2종 영구기관 : 열효율 100%인 장치

외부의 일없이 고온에서 저온으로의 열전달은 실현 가능하지만 저온에서 고온으로의 열전달은 실현불가능하다.

열기관 : (+)의순일과 (+)의 순열전달을 가능하게 하는 시스템 냉동기 : 저온에서 고온으로의 열전달을 가능하게 하는 시스템 열기관의 예 :

열기관 ≡ 열역학적 사이클을 수행하고, 고온에서 저온으로 열을 전달하며, (+)의 순일을 하는 장치 작동유체(working fluid) = 작동물질(working substance) = 열을 주고받는 물질 ※ 광의의 열기관 : 열역학적 사이클이 완성되지 않아도 열전달이나 연소를 통해 일을 생산하는 장치 e.g.) 내연기관, 가스터빈 등

서울시 양천구에서 무한동력기관을 발명하셨다는 김모씨

공급받은 열 방출하는 열 기관이 하는 일

성적계수(COP; Coefficient of performance) 열효율과 성적계수 - 열효율(η) 성적계수(COP; Coefficient of performance) 가열 COP 냉각 COP Why?

카르노사이클 1. 고온 열저장조 ( QH ) → 보일러 : 가역 등온과정 (액체 → 기체로의 상 변화) 2. 터빈 (WT ) → 주위 : 가역 단열과정 3. 응축기 (QL ) → 저온 열저장조 : 가역 등온과정 (기체 → 액체로의 상 변화) 4. 주위 (WP ) → 펌프 : 가역 단열과정 ※ 역 Carnot 사이클 (reversed Carnot cycle) – 반대 방향의 사이클

카르노 사이클 : 열효율이 가장 좋은 이론적인 사이클 TH 1->2 등온과정 TH TL TL

카르노 사이클 : 열효율이 가장 좋은 이론적인 사이클 TH 2->3 단열과정 TH TL TL

카르노 사이클 : 열효율이 가장 좋은 이론적인 사이클 TH 3->4 등온과정 TH TL TL

카르노 사이클 : 열효율이 가장 좋은 이론적인 사이클 TH 4->1 단열과정 TH TL TL

카르노 사이클 : 열효율이 가장 좋은 이론적인 사이클 TH 카르노 사이클의 효율 TH TL TL

역카르노 사이클 : 카르노 사이클의 역과정 TH 2->1 등온과정 TH TL TL

역카르노 사이클 : 카르노 사이클의 역과정 TH 1->4 단열과정 TH TL TL

역카르노 사이클 : 카르노 사이클의 역과정 TH 4->3 등온과정 TH TL TL

역카르노 사이클 : 카르노 사이클의 역과정 TH 3->2 단열과정 TH TL TL

역카르노 사이클 : 카르노 사이클의 역과정 TH 역카르노 사이클의 성적계수(가열) TH TL TL

역카르노 사이클 : 카르노 사이클의 역과정 TH 역카르노 사이클의 성적계수(냉각) TH TL TL

고온물체 (TH) A B 저온물체 (TL) 카르노 사이클과 열역학 제2법칙 QH Q’H W QL Q’L A : 고온의 열원으로부터 열(QH)를 공급받아 일(W)을 하고 저온의 열원으로 열(QL)을 방출하는 열기관 QH=QL+W > W=QH-QL QH Q’H B : 일(W)을 받아 저온의 열원에서 열(QL)를 흡수하고 고온의 열원으로 열(QH)를 방출하는 열펌프 Q’L+W=Q’H > W=Q’H-Q’L W A B QL Q’L 차이만큼 저온에서 고온으로 열 이동 열역학 제2법칙 위배 저온물체 (TL) 차이만큼 저온에서 고온으로 열 이동 열역학 제2법칙 위배

고온물체 (TH) A B 저온물체 (TL) 카르노 사이클과 열역학 제2법칙 QH Q’H W QL Q’L 따라서, 이므로, 같은 온도에서 작동하는 카르노 사이클의 열효율은, W A B 로써 작동유체의 종류에 상관없이 같고, 절대온도에만 관계된다. QL Q’L 저온물체 (TL)

고온물체 (TH) A B 저온물체 (TL) 카르노 사이클과 열역학 제2법칙 QH Q’H W QL Q’L 인데, 비가역 사이클의 효율이 카르노 사이클보다 높다고 가정하면, W A B 그런데 일 W는 같으므로, QL Q’L 가 되어 저온의 물체에서 만큼의 열이 고온물체로 이동하게 되므로 열역학 제2법칙에 위배됨. 저온물체 (TL)

카르노 사이클 카르노 사이클의 열효율은 작동유체의 종류와는 관계없이 작동하는 열원의 절대온도에만 관계된다. 동일한 온도범위에서 작동하는 가역사이클의 열효율은 항상 카르노 사이클의 열효율과 같다. 카르노 사이클의 열효율이 항상 비가역 사이클의 열효율보다 크다. 카르노 사이클은 열기관의 이상적인 사이클이며, 역카르노 사이클은 열펌프의 이상적인 사이클이다.

열효율이 100%가 되기위한 τ=? 열역학적 절대온도 τ1 Q1 Q2 τ2 Qn τn