Transcript 열역학-2강

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건축설비공학과
열역학
작동물질; 열과 일을 운반하는 매체
계
주위; 계의 외부
경계; 계와 주위를 구분하는
칸막이
열 또는 일
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개방계
작동물질; 열과 일을 운반하는 매체
계
주위; 계의 외부
경계; 계와 주위를 구분하는
칸막이
열 또는 일
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밀폐계
계
주위; 계의 외부
경계; 계와 주위를 구분하는
칸막이
열 또는 일
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고립계
계
주위; 계의 외부
경계; 계와 주위를 구분하는
칸막이
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단면적
A(㎡)
경계
주위
계
P(Pa)
L(m)
일(J) = 힘(N) x 거리(m) = 압력(Pa) x 단면적(㎡) x 거리(m)
= 압력(Pa) x 체적변화량(㎥) = P△V
일이 (+)일 때 계는 주위로 일을 (한다)
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열역학
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열역학적 상태량 : 열역학적 상태를 나타내는 물리량(온도,압력,체적,엔탈피 등)
강도성 상태량 : 양(질량)과는 관계없는 열역학적 상태량(ex. 온도, 압력)
용량성 상태량 : 양(질량)에 관계되는 열역학적 상태량(ex. 내부에너지, 엔탈피, 엔트
로피 등)
모든 기체의 체적 = 22.41㎥ / kmol (표준대기압, 0℃)
수소 기체의 질량 = 2kg / kmol = 1kg / 0.5kmol
수소 기체 1kg의 체적?
22.41㎥ / kmol x 0.5kmol / 1kg = 11.21 ㎥/kg
비체적 = ㎥/kg
몰체적 = ㎥/kmol
체적 = ㎥
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열량성 상태량 : 열량에 관계되는 상태량(내부에너지, 엔탈피, 엔트로피)
물질의 상태는 (압력, 체적, 온도)의 함수
P=f(V,T) V=f(P,T) T=f(P,V)
f(P,V,T) = 0
PV = mRT
Pv = RT
kg  m
Pa  F
V m
m
3
m  kg
2

m
2
s 2  kg
m s2
R  kJ /kgK (m 2 /s 2K ) v  m 3 /kg
T K
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열역학 제 0법칙
1. A와 B의 온도가 같고, B와 C의 온도가 같으면 A와 C의 온도가 같다.
2. 온도가 높은 쪽에서 낮은쪽으로 열이 이동한다.
3. 온도가 같은 두 물체에서는 열의 이동이 없다. (열적평형상태)
M=20kg, T=30℃, C=30kJ/kgK
M=30kg, T=70℃, C=100kJ/kgK
M=20kg, T=?, C=30kJ/kgK
M=30kg, T=?, C=100kJ/kgK
Qin = - Qout
20kg x 30kJ/kgK x (T-30) + 30kg x 100kJ/kgK x (T-70) = 0
T=?
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열역학
Tout
Tout
m
m
P
Tin
Tin > Tout
역학적 평형 => mg = PA
열적 평형 => Tin = Tout
Q
Tin
P
Tin = Tout
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정압변화 = 작동유체가 상태변화를 하는 동안 압력이 일정한 변화
정적변화 = 작동유체가 상태변화를 하는 동안 체적이 일정한 변화
등온변화 = 작동유체가 상태변화를 하는 동안 온도가 일정한 변화
단열변화 = 작동유체가 상태변화를 하는 동안 계에 열의 출입이 없는 변화
폴리트로픽 변화 = 작동유체가 상태변화를 하는 동안 PV^n = C 의 관계를
만족시키는 변화로 위의 4가지 경우를 모두 포함하는
일반적인 변화
정적과정 : n=∞ -> why?
정압과정 : n=0
등온과정 : n=1
단열(등엔트로피)과정 : n=k
열역학
사이클
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열역학
가역과정
(마찰이 없을 경우)
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비가역과정
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열과 일
James Prescott Joule(1918~1889, UK)
"wherever mechanical force is expended, an exact equivalent of heat
is always obtained"
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열역학
온도 눈금
(℃)
물의 비등점
100℃
(K)
373.15K
('Ｆ)
212F
(R)
671.67R
'F 'C  9
물의 빙점
절대0도
0℃
-273.15℃
273.15K
0K
32F
491.67R
0F
459.67R
-459.67F
0R
5
 32
'C  ('F  32 )  5
K 'C  273 .15
R 'F  459 .67
9
열역학
경로함수 VS 점함수
1. 상태 함수(변수) (State Function) = 점 함수 (Point Function)
ㅇ 경로에 의존하지 않고, 처음과 나중의 상태에 만 의존
- 경로에 관계없이, 계의 상태 만으로 정해지는 물리량/함수/변수
. 例) 온도, 부피, 압력, 내부에너지, 엔트로피 등 상태량
ㅇ 변화 표기 : 델타(Δ)
- 例) 내부에너지 변화 : ΔU = U최종 - U처음
ㅇ 미분 표기 : 완전 미분(Exact Differential)
- 例) 온도 dT, 압력 dP 등
2. 경로 함수(변수) (Path Function)
ㅇ 경로에 따라 달라지는 물리량/함수/변수
- 계가 한 상태에서 다른 상태로 변할 때 경로를 필요로 함
. 例) 열(Heat), 일(Work) 등
* 열 및 일은 방향성을 갖는 물리량
. 즉, 과정에 따라 달라지므로 상태량이 아님
ㅇ 미분 표기 : 불완전 미분(Inexact Differential)
- 例) 열 δQ, 일 δW 등
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비열
1. 열에 의해 온도가 변화하는 비율이 다름
2. 열에 의해 온도가 변화하는 비율의 정도 = 비열 (Specific heat)
3. 단위질량(1kg)의 물질을 단위온도(1K)만큼 변화시키는데 필요한 열량
Q  mdT
열량은 질량과 온도변화에 비례하므로,
Q  mcdT
물질마다 다른 상수 c를 정의해서 식을 만들고,
Q  mc (T )dT
c는 온도에 따라 변하는 온도의 함수이니,
Q 12  m
T2
T
1
c (T )dT
Q 12  mc m (T 2  T 1)
Cm 
실제로는 적분하여 계산하여야 함
T1에서 T2로 변하는 동안의 평균비열을 정의
T2
Q 12
1

c (T )dT
m (T 2  T 1) (T 2  T 1) T 1
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열역학
여러가지 물체가 섞일때 계의 열량 변화는?
T1,m 1,c 1
T 2 ,m 2 ,c 2
T 3 ,m 3 ,c 3
T 4 ,m 4 ,c 4
T 5 ,m 5 ,c 5
T 6 ,m 6 ,c 6
Q 1m  m 1c 1(T m  T1)
Q 2 m  m 2c 2 (T m  T 2 )
Q 3 m  m 3c 3 (T m  T 3 )
Q 4 m  m 4c 4 (T m  T 4 )
Q 5 m  m 5c 5 (T m  T 5 )
+
Q 6 m  m 6c 6 (T m  T 6 )
0
Tm
Tm 
 m ic iT i
 m ic i
열역학
정압비열 : Specific heat at constant pressure, Cp
정적비열 : Specific heat at constant volume, Cv
Cp > Cv
비열비 : ratio of specific heat
cp
k 
1
cv
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열역학
잠열과 현열
잠열 : 상태변화에 사용되는 열량
현열 : 온도변화에 사용되는 열량
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압력
- 단위면적당 작용하는 힘
- P(Pa) = F(N)/A(㎡)
- 대기압(력) : 대기를 구성하는 기체가 작용하는 압력760mmHg
=101,325Pa=101.325kPa= 1.01325bar
- 절대압력 : 완전 진공을 기준으로 측정하는 압력
- 계기압력 : 대기압을 기준으로 측정하는 압력
- 진공도 = l진공압l / 대기압
절대압
계기압
진공
절대압
대기압
대기압
열역학
비체적(v)
- 단위질량당 체적 (㎥/kg)
밀도(ρ)
- 단위체적당 질량 (kg/㎥)
비중(s.g)
- 4℃의 물의 밀도(1000kg/㎥)와의 비율
v 
1

s .g 

1000
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열역학
일과 에너지
- 일 : 힘의 방향으로 이동한 거리와의 곱
- 위치에너지 :
Ep  mgh
- 운동에너지 :
Ek  1 mv
- 동력 : 일률
W (J ) F (N )m
P (W ) 

 F (N )v (m /s )
s
s
2
2
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열의 평형 쉽게 생각하는법
m 1c 1(T m  T1)  m 2c 2 (T m  T 2 )  m 3c 3 (T m  T 3 )  ... Q 1  Q 2
Q1 => 잠열변화; 열을 내놓을 때 (응축, 동결) (-)부호
잠열변화; 열을 흡수할 때 (융해, 증발) (+)부호
Q2 => 계에서 열손실이 존재할 때 (-)
계에서 열취득이 존재할 때 (+)
계에서 열의 이동이 없을 때 0
열역학
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Quiz. 1
1. 벽체에서 열전달이 존재할 경우 손실되는 열전달율은 다음의 식으로 풀 수 있다.
R의 단위를 7가지 SI단위로 적절히 표현한 것은?
A
q  (T 2  T 1)
R
여기서 q는 W(와트), A는 면적(㎡), T는(K)이다.
(풀이 2점, 정답 1점)
1 .s 3K /kg 2 .ms 3K /kg 3 .kg /s 3K
4 .kg /s 2K
2. 다음을 계산하시오. (풀이1점, 정답 1점)
10bar x 1MPa ÷ 1TPa x 1μPa = ? Pa
① 10^2
② 10^(-6) ③ 10^(-4) ④ 10^(-2) ⑤ 10^(-8)
5 .s 3K /kgm