CH.5 The Second Law of Thermodynamics

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1 CH.5 The Second Law of Thermodynamics

2 Introduction to the Second Law of Thermodynamics
0th law of thermodynamics If two bodies are in thermal equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other. 1st law of thermodynamics Conservation of energy principle

3 Introduction to the Second Law of Thermodynamics
A cup of hot coffee does not get hotter in a cooler room. Transferring heat to a wire will not generate electricity. Transferring heat to a paddle wheel will not cause it to rotate.

4 Introduction to the Second Law of Thermodynamics
차운방에 있는 뜨거운 커피는 더 뜨거운지지 않는다. (추운 방으로 열전달, 열전달 된 열이 다시 커피로 오지 않음) 전선에 전기열이 나가지 나간 열이 다시 전기를 발생안함. Transferring heat to a paddle wheel will not cause it to rotate.

5 Introduction to the Second Law of Thermodynamics
과정들은 어떤 한 특정방향으로 일어나지 다시 역방향으로 일어나지 않는다. 따라서, 과정은 열역학 1법칙과 2법칙을 동시에 만족시켜야 한다. 제2법칙은 에너지 양뿐만 아니라, 질적 감소정도 결정에 필요한 수단. 고온의 에너지가 같은 양의 저온의 에너지보다는 더 많은 일로 변환될 수 있으며, 더 높은 에너지의 질 갖는다.

6 Thermal Energy Reservoirs
온도변화 겪지 않는 유한한 양의 열을 공급 또는 흡수 할 수 있는 가상적인 물체 (큰 열용량 , 질량 X 비열) 이상상태의 시스템도 가능 (상변화시 일정온도 유지) 산업용 로 열 형태로 에너지 공급, 열원 (source) 열 형태로 에너지 흡수, 열싱크(sink)

7 열기관 (Heat Engines) 일은 열로 변환 (내부에너지 -> 열) 그림 상태에서 열이 일(축 회전) 변환 안됨.
즉, 일은 열로 직접변환 가능 따라서, 열을 일로 변환위해 장치 필요 이 장치 열기관

8 Heat Engines 열기관 열원(고온) 열 받음 (태양, 로 등) 열기관 열 일부 일로 변환 (회전축)
열기관 남은 열 (폐열) 저온 열싱크로 보냄 (강, 대기 등) 사이클로 작동

9 Heat Engines 열기관이나 사이클 장치 작동 동안 열을 흡수하거나 방출할 유체 포함 작동유체 (Working Fluid) 열기관 열역학적 사이클 작동하지 않는 장치 포함 (작동유체, 연소가스 -> 자동차 엔진, 터빈). 열기관 정의에 가장 적합한 증기동력플랜트 ( steam power plant)

10 Heat Engines 그림 5-10 Qin: 보일러(boiler)에서 고온부로부터 공급되는 열의 양
Qout: 응축기(condenser)에서 증기로부터 저온부(대기)로 버려진 열의 양 Wout: 터빈에서 팽창하기 때문에 증기에 의해 공급되는 일의 양 Win: 물을 보일러 압력으로 압축하기 위해 필요한 일의 양 amount of work required to compress water to boiler pressure.

11 Heat Engines 열 효율(Thermal Efficiency or performance) 외부로 행해지는 순수일
Net work output: Wnet,out = Wout – Win (kJ) [전체 외부로 일 – 전체 내부의 일] 시스템일은 시스템에 전달된 순 열의 양과 같다.: Wnet,out = Qin – Qout (kJ) 열효율 = 순일/들어온 총 열의 양 Since Wnet,out = Qin - Qout 열 효율(Thermal Efficiency or performance)

12 Heat Engines Net work output and thermal efficiency relations for any heat engine Wnet,out = QH – QL Thermal efficiency of a heat engine is always less then unity.

13 Heat Engines Can We Save Qout? 초기 가스온도 30도 , 100도 열원에서 100 KJ 에너지 공급
가스팽창, 피스톤 위 멈추개에 정지, 이때 가스 온도 90도 팽창 동안 한 일 15KJ 위치에너지, 즉 공급된 열량보다 작다. 나머지 85KJ의 일부 가스온도 상승 기여 90도에 85KJ의 남은 열을 100도 저장조에 보낼 수 있나? 있다면 이상적인 열효율 100% 기관 그러나, 열은 고온에서 저온으로 흐르므로 안된다. 따라서, 20도의 저온조로 방출해야 초기상태로 돌아감. 따라서 사이클 완성

14 The Second law of Thermodynamics: Kelvin-Planck Statement
사이클로 작동하는 어떤 장치라고 단일 열원으로부터 열을 받아 순 일을 생산한다는 것은 불가능함. 어떤 열기관도 100%의 열효율을 가질 수 없고 발전기를 작동시키기 위해 작동유체는 노뿐만 아니라 주위와도 열을 교환해야한다.

15 5-4. 냉동기와 열펌프 (Refrigerators and Heat pumps)
냉매 (refrigerant) :냉동사이클에 작동되는 작동유체 증기-압축 냉동사이클 (냉동사이클에 가장 많이 사용되는 사이클) 네가지 주된 구성요소 : 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 압축기 : 증기 상태 냉매 압축 (응축기 압력까지), 고온 고압 응축기 : .응축기 코일 통과시 냉각 응축, 열 외부로 방출 (저온, 동압) 팽창밸브 : 압력, 온도 급격히 감소 증발기 : 낮은 온도 냉매, 냉동 공간의 열 흡수 증발

16 Refrigerators and Heat pumps
냉공기 : 냉각실에서 QL 을 제거 QH: Magnitude of the heat rejected to the worm environment at TH. Wnet,out: Net work input to the refrigerator

17 Refrigerators and Heat pumps
냉동기의 효율 : 성적계수 Coefficient of Performance (COP) Objective of a refrigerator: Remove heat QL Conservation of energy principle for a cyclic device requires Wnet,in = QH - QL

18 Refrigerators and Heat pumps
저온부에서 고온부로 열전달 장치 (따뜻한 방에 열 QH를 공급) Heat pumps operates on the same cycle with refrigerators but differs in their objectives.

19 The Second Law of Thermodynamics: Clausius Statement
어떠한 장치도 저온 물체로부터 고온 물체로 주위에 아무런 영향을 주지 않고 열을 전달할 수 없다. (압축기 필요, 열전달에 추가하여 주위에 주는 순 효과는 일의 형태로서의 에너지 소비 포함) Kelvin-Planck Statement: 단일 열원만으로 순 일을 생산할 수 있는 열기관 없음.

20 5-5 영구기관 (Perpetual-Motion Machines)
영구기관 (perpetual-motion machine ) : the 1st and 2nd laws of thermodynamics 을 어기는 장치. 제1종 영구 기관 (PMM1) : 제1법칙을 어기는 장치 제2종 영구 기관 (PMM2) : 제2법칙을 어기는 장치 그림 5-29 : PMM1 (입력없음 제1법칙 에너지보존) 그림 5-30 : PMM2 (단일열원 제2법칙 위배)

21 5-6. 가역과 비가역 과정 (Reversible and Irreversible Processes)
열역학 법칙 서술 핵샘은 100% 열기관 없다. 가역과정 :주위에 어떠한 자취 (에너지 손실) 도 남기지 않고 역으로 갈수 있는 과정 (그림 5-31 : 마찰없는 pendulum, 준평형과정 의 팽창 압축 ) 비가역과정 : 가역이 아닌 과정 가상의 가역과정에 관심을 가지는 이유? 1. 해석이 쉽다. (과정동안 일련의 평형상태 통과) 2. 실제과정과 비교될 수 있는 이상적인 모델

22 Reversible and Irreversible Processes
비가역적이게 하는 요소 - 마찰 - 비준평형 팽창과 압축 - 열전달 내적 가역과정과 외적 가역과정

23 5-7 카르노 사이클 (The Carnot Cycle)
열기관은 사이클 장치이고 열기관의 작동유체는 각 사이클의 끝에는 초기상태로 돌아 감. 최소 일로 최대 일 전달 가역과정으로 구성된 사이클이 가장 효율적인 사이클임.(이상적) 1824년 프랑스 공학자 Sadi Carnot가 제안한 이론상 열기관 카르노 사이클 겪는 카르노열기관 2개의 등온과정과 2개의 단열, 4개의 가역과정으로 구성 밀폐 또는 정상유동 시스템에서 수행 가격 등온 팽창 (Reversible isothermal expansion) 가역 단열 팽창 (Reversible adiabatic expansion) 가역 등온 압축 (Reversible isothermal compression) 가역 단열 압축 (Reversible adiabatic compression)

24 The Carnot Cycle 초기 가스온도 TH이고 실린더헤드 TH온도 열원에 접촉 -> 팽창 주위에 일 ->
가역등온 팽창: 과정 1-2, TH=constant 가역단열 팽창: 과정 2-3, TH -> TL 초기 가스온도 TH이고 실린더헤드 TH온도 열원에 접촉 -> 팽창 주위에 일 -> 일하여 가스온도 감소하나 열원 즉시 열 주입 TH 유지 -> 2지점 도달까지 가스로 전달되는 총열량 QH 열원제거 단열재 사용 단열 가스 팽창 가스온도 TH -> TL 떨어질 때 까지 주위에 일 피스톤 마찰없고 그 과정은 준평형이므로 가역 단열과정

25 The Carnot Cycle 단열재 제거 실린더는 TL의 열싱크와 접촉 피스톤 안으로 밀려 가스에 일, 가스 압축 ->
가역등온 압축: 과정 3-4, TL=constant 가역단열 압축 : 과정 4-1, TL -> TH 단열재 제거 실린더는 TL의 열싱크와 접촉 피스톤 안으로 밀려 가스에 일, 가스 압축 -> 가스 온도 상승 -> 열원에서 즉시 열전달 -> TL로 유지 -> 가스로 방출되는 열량 QL 열원제거 단열재 사용 단열 가역적 방법으로 가스 압축 TL -> TH 가스 온도 상승 사이클 완성

26 The Carnot Cycle P-v diagram 카르노 사이클의 p-v선도
1-2-3 곡선아래 면적 : 팽창 시 가스에 의해 행해진 일 3-4-1 곡선아래 면적 : 압축 시 가스에 가해진 일 면적 : 싸이클 동안 순 일 P-v diagram

27 역 카르노 사이클 (The Reversed Carnot Cycle)
카르노 열기관은 내외적 가역사이클 따라서 모든 과정 역을 될 수 있다.-> Carnot 냉동 사이클 (Carnot Refrigeration Cycle.) Heat in the amount of QL is absorbed from the low-temperature reservoir. Heat in the amount of QH is rejected to a high-temperature reservoir. Work input of Wnet,in is required to accomplish all this.

28 5-8 Carnot의 원리 (The Carnot Principles)
동일한 열원에서 작동하는 가역 열기관의 효율은 어떤 비가역 열기관의 효율보다 높다. 동일한 열원 사이에서 작동하는 모든 가역 열기관의 효율은 항상 같다.

29 5-9 열역학적 온도 눈금 (The Thermodynamic Temperature Scale)
온도측정위해 사용되는 물질의 성질에 무관한 온도 눈금을 열역학적 온도눈금이라함. (열역학 계산 편의 제공) 가역열기관을 사용 정의 가역열기관의 효율은 열원의 온도만의 함수 (작동유체, 물성치 사이클 구현 방법과 무관) th, rev = g(TH, TL) or QH/QL = f(TH, TL) th = 1 - QH/QL , 여기서 TH, TL 고온열원과 저온 열원의 온도

30 The Thermodynamic Temperature Scale
Heat Q1 is supplied to HE. A and HE. C Engine C rejects Q3 to the low-temperature reservoir. Engine B receives the heat Q2 rejected by engine A and rejects heat in the amount of Q3.

31 The Thermodynamic Temperature Scale
열기관 A 와 C는 고온열원 T1 으로부터 같은 열량 Q1 공급됨 열기관 C는 저온열원 T3 에 Q3 방출 열기관 B는 열기관에서 방출된 Q2 받고 T3 에 Q3 방출 B와 C에서 방출된 열량 같아야 하기에 열기관 A와 B는 열기관 C처럼 같은 열원에서 작동하는 한 개의 가역기관으로 결합 열기관C와 같은 효율 가짐

32 The Thermodynamic Temperature Scale
Kelvin scale, Absolute temperatures On the Kelvin scale, the temperature ratios depend on the ratios of heat transfer b/w a reversible heat engine and the reservoirs and are independent of the physical properties of any substance. On this scale, temperatures vary b/w zero and infinity

33 The Thermodynamic Temperature Scale
It gives us only a ratio of absolute temperatures. What is the magnitude of a kelvin degree? The triple point of water (the state at which all three phases of water exist in equilibrium) was assigned the value K. The magnitude of a kelvin is defined as 1/ of the temperature interval between absolute zero and the triple-point temperature of water. 1K = 1C and T(C) = T(K)

34 Carnot efficiency: th, rev = 1 - TL/TH
The Carnot Heat Engine Thermal efficiency: th = 1 - QL/QH Carnot engine or any reversible heat engine Carnot efficiency: th, rev = 1 - TL/TH This is the highest efficiency a heat engine operating b/w the two thermal energy reservoirs at temperatures TL and TH. Note that TL and TH are absolute temperature

35 The Carnot Heat Engine The thermal efficiencies of actual and reversible heat engines operating b/w the same temperature limits. < th, rev Irreversible heat engine th = th, rev Reversible heat engine > th, rev Impossible heat engine The maximum efficiency of a steam power plant is 60%. The thermal efficiency of actual heat engines can be maximized by supplying heat to the engine at the highest possible temperature and rejecting heat from the engine at the lowest possible temperature.

36 The Carnot Heat Engine The quality of energy
Efficiency values show that energy has quality as well as quantity. More of the high temperature thermal energy can be converted to work. Therefore, the higher the temperature, the higher the quality of the energy.

37 The Carnot Refrigerator and Heat Pump
Coefficient of Performance (COP) QL: Amount of heat absorbed from the low-temperature medium QH: Amount of heat rejected to the high-temparature medium COPs of all reversible refrigerator or heat pump can be expressed by the ratios of the absolute temperatures of high- and low-temperature media.

38 The Carnot Refrigerator and Heat Pump
These are the highest coefficients of performance that a refrigerator or a heat pump operating between the temperature limits of TL and TH can have.