공조냉동기계기사(1)

[첫 번째 기계 열역학]

 열역학이란 어떤 물질에 대한 온도 변화가 중요한 역할을 하는 자연계의 각 과정을 연구하는 학문이다. 냉동공학, 기계공학의 기초를 이루는 중요한 학문이다. 쉽게 생각해보면 우리 주변에서 흔히 볼 수 있다. 초에 불을 붙어있는 현상도 자동차에 엔진이 에너지를 만들어 내는 것에도 모두 열역학의 개념이 들어가 있다. 열역학은 매우 기초이자 기본적인 학문이기에 개념들을 확실하게 이해할 필요가 있다.

 

열역학의 계

 계의 종류에는 개방계, 밀폐계, 고립계가 있으며 각 각 물질과 열과 일이 통과하는지 통과하지 못하는지에 대해 나뉜다. 개방계는 경계를 통하여 물질, 열, 일 모두가 이동이 있는 계이고, 밀폐계는 개방계에서 물질의 이동이 없는 계이며, 마지막으로 고립계는 열, 일, 물질 모두의 이동이 없는 계이다. 열역학 계의 상태는 상태량 또는 성질이라고 하는 측정이 가능한 양의 값으로 표현하게 되며 성질을 예로 들면 온도, 압력, 체적 등이 있다. 성질에는 질량에 비례하는 종량적 성질과 질량에 무관한 강성적 성질이 있다. 조금 더 자세히 예시를 들면 종량적 성질에는 질량, 체적, 엔탈피(s), 엔트로피(h)가 있으며 강성적 성질에는 온도, 습도, 압력, 밀도, 비체적, 비엔탈피, 비중량, 비엔트로피가 있다. 쉽게 암기하자면 비- 가 들어간 것은 강성적 성질 즉, 질량에 무관하다는 사실이다.

 

상태변화와 과정

 상태변화는 계 내의 동작유체가 한 상태에서 다른 상태로 옮겨지는 것이며 이때의 경로를 과정이라고 한다. 

과정에는 두 가지가 있다. 먼저 가역 과정이 있다. 가역 과정이란 경로의 모든 점에서 역학적, 열적, 화학적으로 평형이 유지되며 방향을 바꾸어 원래의 상태로 돌아올 수 있는 과정이다. 비가역적 과정이란 손실을 수반하는 과정으로서 방향을 바꾸어 원래의 상태로 돌릴 수 없는 과정이다. 예시를 들어 보면 물체에 불을 붙이면 재로 변하게 되고 다시 이전 물체로 돌아올 수 없게 된다. 이런 것을 비가역 과정이라고 한다. 정확한 비유는 아니겠지만 가역과정에는 용수철이 있을 수 있다. 다시 원래대로 돌아오지 않는 임계점을 지나지 않는 경우에는 용수철은 원래의 모습대로 돌아오는 성질이 있다. 용수철은 이해하기 쉽게 하기 위함이었고, 석회동굴에서 탄산수소 칼슘이 종유석과 석순이 되었다가 다시 탄산수소 칼슘으로 돌아올 수 있는 이런 과정을 가역 과정이라 한다.

 

단위와 단위계

 어떤 학문이든지 단위는 매우 중요하다. 왜냐하면 상호간에 약속이기 때문이다. 극단적인 예를 들어 한국에서는 cm만 사용하고 미국에서는 inch 만 사용한다고 가정한다. 그렇다면 둘은 서로 단위가 달라서 같이 일을 할 수가 없을 것이다. 물론 시간이 지나면 1cm가 대략 2.54inch라는 것을 깨닫게 되겠지만 이것 또한 대략이기에 정확한 숫자는 아니다. 만약 정확을 요해야 하는 반도체 업종 같은 경우에는 이런 오차는 매우 치명적이게 작용할 수 있을 것이다.

 일반적으로 공학에서 사용되는 단위는 질량을 기본으로 한 절대단위계와 중량을 기본으로 하는 공학 단위계가 있다. 또 국제적으로 사용되는 국제단위가 있으며 그것인 SI 단위는 근본적으로 절대 단위계와 동일하며 질량[kg], 길이[m], 시간[s]을 기본단위로 하고 있다. 공학 단위계에서는 중량을 기본단위로 하고 있으며 이것에 절대 단위계의 질량과 같은 kg을 사용하고 있기 때문에 매우 혼동하기 쉽다. 이 혼동을 피하기 위해 중량의 단위는 kgf의 기호를 사용하며 질량의 단위는 kgm 또는 kg이라고 써서 구별하기도 한다.