에너지에 관한 기본 개념 충남대학교 화학공학과 6조 (김옥겸, 황은길)

<목 차> 1. 에너지가 주는 혜택 2. 일(Work)의 정의 3. Joule’s experiment 4. Carnot Cycle 5. 열에너지의 이용 1) 엔진(Engine) 2) 가스터빈(Gas Turbine) 3) 제트기관(Jet Engine) 4) 액체추진용 로켓엔진 6. 열역학 제 2법칙의 서술 7. 영구기관 8. 실제기관의 열효율 9. 결론 10. 연습문제 2004. 9. 16 (木)

1. 에너지가 주는 혜택 2004. 9. 16 (木)

2. 일(Work)의 정의 힘(F)를 힘이 가해지는 방향으로 변위 x만큼 이동하는 것. 열역학적으로 일이란, Process의 결과 주위에 나타나는 효과로서, 예로 중량을 들어올린다면 이는 System에 의해 수행된 것이며, 여기서 일은 중량을 실제로 들어올리거나, 힘을 실제로 작용한 것이 아니라, 이와 동등한 효과를 얻는 것으로 정의. 2004. 9. 16 (木)

3. Joule’s experiment 열과 일사이의 관계를 실험함. 추의 위치에너지가 회전축을 구동함으로서 실린더 내의 마찰력생성. 마찰열로 인한 온도변화을 측정함. 열의 일당량 1cal = 4.2J 2004. 9. 16 (木)

4. Carnot Cycle 2004. 9. 16 (木) 효율(Efficiency) 열기관의 최고 열효율을 알기 위해 N.L.S.카르노가 발표한 열역학상의 가역 사이클. 효율(Efficiency) 2004. 9. 16 (木)

5. 1) 엔진(Engine) 자연의 에너지나 열에너지를 사용해서 기계적 일을 하는 장치. 2004. 9. 16 (木)

5. 2) Gas Turbine 피스톤과 같은 에너지전달 매개장치를 배제, 연소가스의 열에너지를 직접 회전 일로 변환, 연소기에서 고온의 가스를 impeller나 blade에 직접 분사함. 2004. 9. 16 (木)

5. 3) Jet Engine Brayton Cycle을 기본으로 고안하였고 노즐을 추가함. Diffuser로부터 단열압축, Compressor에서도 단열압축된 기체가 Burner에서 연소되어 Turbine을 통해 노즐(단열팽창)에 고속으로 분사함. 2004. 9. 16 (木)

* 가장 빠른 제트기(SR-71) 미국의 정찰기로서 최고속도 마하 3.2이상으로 현재 최고의 속도를 자랑한다. 2004. 9. 16 (木)

5. 4) 액체추진제 로켓엔진 산화제와 연료탱크(보조동력장치) :로켓체적의 대부분을 차지, 로켓의 사정거리와 탑재량을 결정. 연소실과 노즐을 통해 고속분사. 산화제: 액체산소 연료: 액체수소 2004. 9. 16 (木)

* 로켓(이미지) 델타II 로켓(미국) 타이탄ⅣB-27로켓(미국) 2004. 9. 16 (木)

6. 열역학 제 2법칙의 서술 Kelvin-Planck -. Cycle을 수행한 효과가 하나의 열저장조와 열을 교환하면서 무게추를 들어올리는 것 밖에 없는 장치를 제작하는 것은 불가능하다. Clausius -. Cycle을 수행한 효과가 저온물체로부터 고온물체로 열을 전달하는 것 밖에 없는 장치를 제작하는 것은 불가능하다. 2004. 9. 16 (木)

7. 영구 기관 제 1종 영구기관 : 외부에서 에너지 공급 없이 계속해서 일을 할 수 있다고 생각되는 가상적인 기관(장치). 제 2종 영구기관 : 저열원에서 열을 얻어 움직이는 기관 또는 공급받은 열을 모두 일로 바꾸는(열효율100%) 가상적인 기관. 제 3종 영구기관 : 시스템에서 마찰이 전혀 작용하지 않아서 영원히 운동하지만 일은 생산해내지 못하는 기관. 가상적인 기관으로 실존할 수 없음. 2004. 9. 16 (木)

8. 실제 기관의 열효율 Carnot의 식에 따르면 기관의 열효율은 이므로 최대의 효율은 1이 되며, 조건으로는 1)저온 열 저장고의 온도( ) 0K(절대온도) 2)고온 열 저장고의 온도( ) 가 되어야 하는데, 실제로는 모두 불가능하다. 실제 기관의 열효율은 대규모 발전소가 30~50%, 가솔린기관이 30~35%, 디젤기관 35~40%, 그 밖의 소형엔진은 20%정도이다. 사람을 하나의 열기관으로 생각한다면 그 효율은 약 40%정도가 되는데, 이는 매우 높은 열효율에 해당한다. 2004. 9. 16 (木)

9. 결 론 인간의 모든 생활에 있어서 원동력이라 할 수 있는 에너지는 다양한 경로를 통해 그 모습(열,전기,동력…)을 달리 할 수 있다. 인간은 에너지의 성질을 이용해 더욱 편리한 생활을 의해 끊임없이 노력한다. 따라서, 인간은 에너지를 소중하게 생각하고, 에너지를 효율적으로 이용해야 할 것이다. 최근 계속해서 대두되는 문제인 화석연료의 고갈문제는 에너지 절약, 대체에너지의 개발 등을 통해 인류의 에너지공급에 차질이 없도록 노력해야 할 것이다. 2004. 9. 16 (木)

10. 연습문제 1. Carnot cycle에서 효율을 온도의 관계식으로 나타내면? 2. Brayton cycle에 노즐을 추가하여 고속의 추진력을 낼 수 있는 기관은? (제트엔진기관) 3. 4행정 가솔린기관의 기본동작 순서는? (흡입, 압축, 폭발, 배기) 4. 로켓엔진에서 연료탱크 외에 산화제탱크가 장착되는 이유는? (우주에는 산소가 없어서 연소가 되지 않으므로) 5. 상상의 열기관으로 외부로부터 받은 열을 모두 일로 변환시킬 수 있는 기관은? (제 2종 영구기관) 2004. 9. 16 (木)