공조냉동기계기사(2)

순수 물질(pure substance)

 순수물질은순수 물질은 화학조성이 균일하고 일정한 물질로서 고유한 성질을 가지고 있으며 녹는점, 어는점, 끓는점, 밀도 등이 일정한 물질을 말한다. 순수 물질은 크게 한 종류의 원소로만 이루어진 홑 원소 물질과 여러 원소가 화학적 결합을 통해 하나의 새로운 물질이 된 화합물 즉, 유기화합물, 무기화합물로 분류할 수 있다. 예를 들어 소금은 Na원소와 Cl원소의 화학적 결합으로 이루어져 있으며, 나트륨 성질이나 염소의 성질을 가지고 있지 않은 전혀 새로운 물질이므로 화합물로서 순수 물질인 것이다. 순수 물질이 아닌 것을 혼합물이라 하며 공기는 산소, 질소 알곤 등이 혼합된 혼합물이다.

 

열역학 0법칙 및 1법칙

 열역학 0법칙은 사실상 늦게 나온 법칙이다. 하지만 그 중요도가 가장 우선된다고 여겨져 0법칙이 되었다. 열역학 0법칙은 열적 평형 상태를 설명한 법칙이다. 온도가 서로 다른 물체를 접촉시키면 높은 온도를 지닌 물체의 온도는 내려가면서 열이 방출되고, 낮은 온도의 물체는 온도가 올라가서 열을 흡수하게 된다. 결국 두 물체 사이에는 온도차가 없어지며 같은 온도 즉, 열 평형 상태가 된다. "물체 1과 2가 열 평형 상태이고, 2와 3이 열평형 상태이면 1과 3도 열 평형 상태이다" 온도계의 원리라고도 불린다. 

 열역학 1법칙은 에너지 보존법칙이 성립함을 표시한 것이며 일과 열은 본질적으로 같은 에너지의 일종이며 서로 전환이 가능하다. 이들 사이에는 일정한 비례관계가 성립한다. SI 단위계에서는 일과 열 모두 같은 단위 kJ로 표시되지만 공학단위게에서는 일과 열의 단위를 다르게 표시하기 때문에 일정한 환산 계수가 필요하다.

 내부에너지는 어떤 계에 외부에서 일이나 열이 가해질 때 그 계가 외부에 열을 방출하지 않고 일도 외부에 하지 않는다면 그 계에 가해진 에너지는 그 계의 내부에 저장된다. 이렇게 내부에 저장된 에너지를 내부 에너지라 한다. 내부 에너지는 계의 총에너지에서 기계적 에너지를 뺀 것을 말하며 기호는 U 또는 u로 나타낸다.

 엔탈피는 어떤 상태의 유체가 가지는 열에너지이며, 유체가 가지는 내부 에너지와 체적을 차지하기 위한 유동일의 합이다. H = U + PV

 

열역학 2법칙

 열역학 제1법칙은 열과 일의 수량적 관계를 표시한 것이고 제2법칙은 열과 일의 변환에 대한 방향성을 제시한 법칙이다. 즉, 일은 열로 쉽게 변환되지만 열은 일로 쉽게 변환되지 않으므로 열기관이 필요하다. 열역학 제2법칙의 다른 표현

 Kelvin-Plank의 표현은 자연계에 아무런 변화도 남기지 않고 어느 열원의 열을 계속해서 일을 바꿀 수 없다. 즉, 고온 물체의 열을 계속해서 일로 바꾸려면 저온 물체로 열을 버려야만 한다. 효율이 100%인 열기관은 제작이 불가능하다. 제2종 영구기관은 불가!

 Clausius의 표현은 외부로부터 도움이 없으면 열은 스스로 저온 물체에서 고온 물체로 이동할 수 없다.

 

카르노 사이클

 가역 사이클로서 이상 사이클이며 효율이 가장 좋은 사이클이다. 2개의 등온 과정과 2개의 단열 과정으로 이루어진다.

등온 팽창 -> 단열 팽창 -> 등온 압축 -> 단열 압축의 과정을 거친다.

 

엔트로피

 엔트로피는 출입하는 열량의 이용가치를 나타내는 양으로, 에너지도 아니고 온도와 같이 감각으로도 알 수 없으며, 측정할 수도 없는 물리학상의 가상적인 상태량이다. 즉, 눈으로 확인할 수 없는 상태량이다. 어느 물체에 열을 가하면 엔트로피는 증가하고 냉각시키면 감소한다고 정의하고 서로 약속한 상태량이다. 엔트로피의 정의식은 가열량을 가열할 때의 온도로 나눈 값이다.