Introduction to Thermodynamics

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1 Introduction to Thermodynamics

2 1-1 열역학과 에너지 열역학(Thermodynamics) : therme(열) + dynamics(동력)
열을 동력화 하기 위한 학문 열역학: 현재 물질의 상태량 사이의 관계와 동력생성 에너지 변환 에너지에 관한 과학 에너지: 변화를 일으킬 수 있는 능력

3 에너지보존법칙 (Conservation of Energy Principle)
상호작용중 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변할 수 있으나 에너지의 총량은 일정하다. 절벽에서 떨어지는 바위는 위치에너지가 운동에너지로 변환된 결과로 속도증가 체중증감

4 열역학 제 1법칙 (First law of thermodynamics)
열역학에서의 에너지 보존법칙의 표현 에너지가 열역학의 상태량

5 열역학 제 2법칙 (Second law of thermodynamics)
에너지의 질적인 측면 에너지의 질이 감소하는 방향진행 덜 유용한 에너지화 열은 고온체에서 저온체로만 전달된다. 책상위의 뜨거운 커피잔은 차가워 지지만, 같은 책상위에 있는 차가운 커피잔은 저절로 뜨거워지지 않는다.

6 열역학의 응용분야 에너지와 물질 사이의 상호작용을 수반하는 거의 모는 공학 분야
Air condition, Refrigeration, Power plants, Car radiator, Engine, Iron, Cooker, Microwave, etc.

7 1.2 차원 및 단위 (Dimension & Unit)
Primary Dimension: mass(M), length(L), time(T), temperature(K), electric current(A), amount of light(c), amount of matter(mol) Secondary Dimension: velocity(v), energy(E), volume(V), etc

8 1.2 차원 및 단위 (Dimensions & Unit)
차원 (물리량의 특성 규정), 단위 (차원에 부여된 임의의 크기) 7개의 기본 (primary or fundamental) 차원 과 SI 단위 차원 단위 length Meter (m) mass Kilogram (kg) time Second (s) temperature Kelvin (K) electric current Ampere (A) amount of light Candela (c) amount of matter Mole (mole) 2차 (secondary ) 또는 유동 (derived) 차원 속도 (v), 에너지 (E), 체적 (V)

9 1.2 Dimension & Unit Multiple Prefix 1012 Tera, T 109 Giga, G 106
Mega, M 103 Kilo, K 10-2 Centi, C 10-3 Milli, M 10-6 Micro,  10-9 Nano, N 10-12 Pico, P

10 SI 단위와 영국단위 SI Unit BK Unit Mass kg lbm 0.45359 Length m ft 0.3048
Conversion Factor Mass kg lbm Length m ft 0.3048 Time s Force N lb

11 Force (SI & BK) Force = mass × acceleration F = ma
SI: F = 1kg×1m/s2 = 1kg·m/s2 = 1N BK: F = lbm×ft/s2= lbm·ft/s2= 1lbf

12 Energy SI: 1 J(joule) = 1N·m BK: 1 Btu(British thermal unit)
= 68°F의 물 1lbm을 1°F높이는데 필요한 에너지 1Btu = kJ

13 차원의 동일성 (Dimensional Homogeneity)
In engineering, all equations must be dimensionally homogeneous. That is, every term in an equation must have the same unit.

14 1.3 밀폐시스템과 개방시스템 (Closed and Open Systems)
연구의 대상이 되는 공간내의 영역이나 물질의 양 경계 (Boundary): 시스템의 주위와 분리되는 실제 또는 가상표면 주위 (surroundings ):

15 밀폐시스템 (Closed System) 검사질량 (Control Mass)
질량고정, 경계를 통한 질량 유출입없음 에너지 (열 또는 일 형태) 경계 통과 가능

16 Piston-Cylinder Device
The inner surfaces of the piston and the cylinder form the boundary, and since no mass is crossing this boundary, it is a closed system. Notice that energy may cross the boundary, and part of the boundary(the inner surface of the piston, in this case) may move. Everything outside the gas including the piston and the cylinder, is the surroundings. 체적은 고정될 필요는 없음

17 고립시스템 (Isolated System)
밀폐계의 특수한 경우로 에너지도 경계를 통과할 수 없는 시스템

18 개방시스템, Open System 검사체적, Control Volume
질량유동을 포함하는 장치를 둘러싼 영역(압축기, 터빈 등) 질량과 에너지 검사면 (control surface) 통과

19 Water Heater Since hot water will leave the tank and be replaced by cold water, it is not convenient to choose a fixed mass as our system for the analysis. The interior surfaces of the tank form the control surface for this case, and mass is crossing the control surface at two locations.

20 밀폐시스템과 개방시스템을 해석하는 관계식은 다르다.
따라서, 해석전 시스템의 형태를 알아내는 것을 매우중요.

21 1-4 에너지의 형태 (Forms of Energy)
열 , 운동, 위치, 전기, 자기, 화학, 원자력 에저지 등 다양한 형태 이들의 합 전에너지 (total energy, E) 단위 질량당 시스템의 전에너지, e. 열역학은 에너지의 절대값 정보제공이 아니라, 전에너지의 변화만 고려

22 에너지의 그룹 거지적 (macroscopic), 미시적 (microscopic)
거시적형태 : 외부 좌표계 의존 (운동, 위치 에너지등) 미시적형태 : 시스템의 분자구조와 분자운동관련 에너지 미시에너지의 총합 : 내부에너지 (internal energy), U

23 전에너지 (Total Energy) Total energy of a system consists of the kinetic, potential, and internal energies. 고정시스템 :밀폐시스템은 과정동안 고정, 따라서 운동 및 위치에너지 변화 없음 전에너지 변화  는 내부에너지 변화 U 와 같다.

24 내부에너지의 물리적고찰 감지에저지 (Sensible Energy) 잠재에너지 (Latent Energy)
: 분자운동에너지: 병진, 회전, 진동에너지. 잠재에너지 (Latent Energy) : 시스템의 상과 관련된 내부에너지 (액체에서 기체 상변화) 화학또는 결합에너지(Chemical (Bond) Energy) : 분자내 원자결합관련 내부에너지 핵에너지 (Nuclear Energy) :원자 자체의 핵내부결합 관련 내부에너지, 핵융합, 핵분열

25 내부에너지의 물리적고찰 정적 (static)에너지 : 내부에너지들. 시스템에 포함 또는 저장되어짐
동적인 (dynamic) 에너지 : 또는 에너지 교환 (energy interaction) 동적에너지는 에너지가 시스템의 경계를 통과할 때 경계에서 확인됨. 과정동안 시스템이 얻거나 잃는 에너지. 밀폐시스템에서 두가지 에너지전달 : 열전달 (heat transfer), 일 (work) 일상생활에서 감지 및 잠재 형태의 내부에너지를 열

26 1-5. 시스템의 상태량 (Properties of a System)
상태량 (property) : 압력, 온도, 질량, 체적, 점도, 탄성율 등 다른상태량에 의해 정의 : 밀도 (m/V, kg/m3) 비체적 (specific volume) v=V/m=1/ρ (kg/m3 ) 강성적 (Intensive) 상태량: 시스템의 크기에 무관 (T, P, ) 종량적 (Extensive ) 상태량 : 시스템의 크기에 따라 변화 (질량m, 체적V, E) m V T P  m/2 V/2 T P  m/2 V/2 T P  종량적상태량 강성적상태량

27 1-6 상태와 평형 (State and Equilibrium)
상태 : 어떤 변화도 하지 않고 있는 시스템에서 상태량이 고정된 값을 가짐. 평형상태 (Equilibrium State): 군형상태 시스템내 불균형 잠재력 (구동력)이 없음. 시스템은 주위와 분리될때 변화 일으키지않음 열역학은 평형상태를 취급 Thermal, Mechanical, Chemical, …

28 1-7 과정과 사이클 (Process and Cycles)
한 평형상태에서 다른 평형상태로 변하는 것 경로 (Path): 과정동안 시스템이 통과하는 상태의 연속 (궤적)

29 Process and Cycles 준평형과정 (Quasi-equilibrium process),
준정적과정 (Quasi-static): 국소적인 상태량의 변화가 거의 없도록 느린 과정. 두가지 관점에 관심 (이상적인과정) 해석의 용이 일발생장치 준평형과정에서 작동시 가장 많은 일 전다

30 Process and Cycles 과정선도 (Process diagrams) 과정을 가시화하는데 매우 유용
상태량이 좌표로 사용됨 : T, P, V 경로는 시스템이 통과하는 일련의 평형상태, 준평형과정에서만 의미. 비준평형 과정에서는 상태규정안됨 특정한 상태량이 일정하게 유지되는 과정 접두어 (ISO-) 등온과정 (isothermal process) : 온도일정 정압과정 (isobaric process) : 압력 일절 정적과정 (isometric process) : 비체적 일정

31 Process and Cycles 싸이클 (cycle): 시스템이 과정의 끝에서 다시 초기상태로 되돌아 옴.
한사이클에서 초기와 최종 상태가 동일

32 1-8 상태의 원리 (State Postulate)
상태를 규정하기 위해서 일정한 수의 상태량만 규정. 즉, 시스템의 상태를 결정하기 위하여 필요한 상태량의 수는 상태의 원리에 의해 규정된다. ** 각 상태량 독립 No electrical, magnetic, gravitational, motion, and surface tension effects from external force field.

33 1-9 압력 (Pressure) 단위면적당 유체에 의해 가해진 힘 기체와 액체에 해당 (고체 경우 응력 (stress)
Force per unit area(Pascal) 1 Pa = 1N/m2 Bar(bar) and Standard atmosphere(atm) 1bar = 105 Pa =0.1 MPa = 100kPa 1atm = 101,325Pa = kPa = bars Lbm/in2, or psi , 1atm=14.696psi

34 Pressure 절대압력 (Absolute Pressure) : 주어진 위치에서 실제압력 (절대진공(절대 0압력)에 대한 상대값으로 측정됨) 게이지압력 (Gage Pressure): 절대압력과 국소대기압의 차이 진공압력(Vacuum Pressure) : 대기압과 절대압력의 차이 Pgage = Pabs – Patm (Patm 보다 높은 압력) Pvac = Patm – Pabs (Patm 보다 낮은 압력)

35 압력계 (Manometer) Device to measure Small and moderate pressure differences. AP1 = APatm + W, W=mg=ρVg= ρAhg P1= Patm + ρgh (kPa) 예제 1-4

36 기압계 (Barometer) Device to measure the atmospheric pressure.
Column of Mercury (760mm) at 0°C(Hg=13,595kg/m3) What is the column of water to measure the standard atmospheric pressure?

37 1-10 온도 (Temperature) 온도: 차가움과 뜨거움을 나타내는 단위 수은온도계 : 온도에 따른 수은팽창에 근거
온도: 차가움과 뜨거움을 나타내는 단위 수은온도계 : 온도에 따른 수은팽창에 근거 열적 평형 (thermal equilibrium) : 온도의 동일성 열역학 제 0 법칙 : 두 물체가 제 3물체와 열적평형에 있으면, 두 물체도 열적평형에 있다. 제3물에 온도계라면, 두 물체가 접촉하기 않더라도 두 물체의 온도 동일하면 두 물체는 열적평형

38 온도척도(Temperature Scale)
빙점, 어는점(Ice point): 1기압에서 증기로 포화된 공기와 평형상태에 있는 얼음과 물의 혼합물. (물의 응고점, 얼음의 녹는점) 비등점 (Steam point): 1기압에서 평형상태에 있는 물과 증기의 혼합물은 비등점에 있다. (공기 없음) 2점 척도 Celsius Scale (Centigrade scale) 0 ~ 100°C Fahrenheit scale 32 ~ 212°F

39 Temperature Scale 열역학적온도척도(Thermodynamic Temperature Scale)
Kelvin Scale (K) 0K ~ Rankin Scale (R) 0R ~ Ideal gas temperature scale (Kelvin Scale) Measured by Constant-Volume gas thermometer T=a + b P

40 Temperature Scale T(K) = T(°C) + 273.15 T(R) = T(°F) +459.67
T(R) = 1.8 T(K) T(°F) = 1.8 T(°C) +32 T(K) =  T(°C) T(R) =  T(°F)

41 Homework #1 1-6, -13C, -18C, -19C, -24C, -25C, -28C, -29C, 36, 41C