열역학 기초

1. 열 및 증기

   1) 온도(Temperature)
      온도의 개념은 사람의 지각작용을 근원으로 하고 있다. 그러나 신뢰도 를 위하여 온도의 측정에는 물질의 팽창, 전기저항, 기전력 등의 성질을 이용한다. 일반적인 수은 온도계는 수은(Hg)의 열팽창을 이용한다.

   2) 온도 및 표시
      온도란 우리들이 느끼는 차고 더운 정도를 나타내는 척도를 말하는데,        열은 눈에 보이지 않으므로 구체화할 수 없는 추상적인 물리량으로생각된다. 즉 온도가 높은쪽에서 낮은쪽으로 이동하는 그 무엇이 있다는 것을 알게 되었데 이것을 열(Heat)이라 한다.
      그러므로, 열은 온도에 변화를 주게된다. 보통 차고 더운 정도는 알 수  
      있지만 온도의 절대값은 구할 수 없기 때문에 표준이 되는 계기를 접
      촉시켜 물리적 변화량을 알수 있도록 만든 것이 온도계이다. 그리고
      열은 물질이 아니고 에너지의 형태라고 할 수 있다.
    
      (1) 섭씨온도(Centigrade Temperature)
          섭씨온도란, 표준대기압 상태에서 물의 빙점을 0 로 하고 물의  비등점을 100 로 하여 그 사이를 100등분한 것을 1 로 정한 것이다.
      (2) 화씨온도(Fahrenheit)
          화씨온도란, 표준대기압 상태에서 물의 빙점을 32 로 하고 물의 비등점을 212 로 정하여 그 사이를 180등분하고 그 한눈금을  1 로 정한 것이다.
      (3) 섭씨온도와 화씨온도의 상관관계식
          0  = 32            100  = 212

                 100           212
                        
                  100등분        180등분           t  = (t -32)
                  0             32             t  = t +32
               -17.78            0              
  
          
              -273.15           -459.69
              
                     [섭씨ㆍ화씨 비교]

      (4) 절대온도(Absolute Temperature)
         ① 기체는 압력이 일정할 때 온도가 1  상승할 때마다 그 부피는  0 일 때 체적의 씩 증가한다. 따라서 완전가스는 일정 한 체적 하에서 온도를 1  내릴 때마다 0 일 때 압력의 씩 압력이 떨어져 결국 -273.15 에서는 기체의 압력이 영(零)이되어 기체의 분자운동은 정지되고 소위 최저극한의 온도로서 이것을 절대 온도라 한다(단, 화씨는 -459.69 이다).
              
                - 캘빈(Kelvin)의 절대온도   ．K = t +273.15
                - 랭킨(Rankine)의 절대온도  ．R = t +459.69
          
         ② 기체의 압력을 일정하게 유지하면서 온도를 1  높이면 그 부              피는 0 일 때 부피의 1/273만큼 증가한다는 것이 샤를(Charles)
            의 법칙이다. 이 법칙을 모든 온도에 적용시키면 온도가 -273
            일 때 기체의 부피는 0이 된다. 그 이하의 온도에서는 (-)가 되므로 이 온도가 최저온도가 된다. 그래서 이 이하의 온도를 생각하는 것은 합리적이지 못하다. 따라서, -273 를 기점으로 하여 나타내는 열역학적 온도을 절대온도라 하며．K의 기호로 표시한다.

   3) 열량
      (1) 1kcal
          표준대기압 하에서 순수한 물 1kg을 0 에서 100 까지 올리는데 필요한 열량의 1/100이다.
      (2) 1Btu
          순수한 물 1lb(파운드)를 표준상태 하에서 1 만큼 올리는데 필요  한 열량이다. 즉, 물 1lb를 32 로부터 212 까지 상승시키는데 필요한 열량의 1/180이다.
      (3) 1Chu
          1파운드(1lb)의 순수한 물을 온도 14.5 에서 15.5 까지 높이는데 필요한 열량이다.
      (4) 15  kcal
          순수한 물 1kg을 표준대기압 하에서 14.5 에서 15.5 까지 올리는데 필요한 열량이다.

                            [열량의 단위비교]
            100,000Btu는 1썸(Therm)이다.
              
             - 1J = =0.24cal =9.477 10-4Btu
             - 1J = 2.389 10-4kcal =2.778 10-7kwh
    
      (5) 열량의 환산
          1lb(파운드) 453.6g=0.4536kg
          1kg =  2.205lb
            1．R =．K,  1．K =．R
          ① 1kcal = 1kgㆍkcal/kg  1  = 2.205lbㆍBtu/lb    3.968Btu
                   = 2.205lbㆍchu/lb  =2.205chu
          ② 1Btu = 1lb Btu/lb  1  = 0.4536kg kcal/kg    0.252kcal
          ③ 1chu = 1lb Chu/lb  1  = 0.4536kg Chu/lb  1  0.4536kcal

    3) 비열(Specific Heat)
       어떤 물체의 단위중량 1kg을 온도1 만큼 높이는데 필요한 열량을 말한다.
       따라서 비열의 단위는 kcal/kg 이다. 그리고 다음의 관계와 같게된다.

         1kcal/kg  = 3.968Btu/lb  = 2.205Chu/lb

                         [각 물질의 평균 비열 값]

      (1) 일반적으로 중량 G인 물체에 dQ이 가해져서 온도가 dt만큼 상승했다면 dt           는 dQ에 비례하고 G에 반비례한다.
         따라서, 이 관계를 식으로 표시하면 다음과 같다.
           dQ = C G dt
         이 식에서 비례상수 C는 물체의 재료에 관계하는 상수이며 이것을 그 물체           의 비열(Specific Heat) 이라 한다.
      (2) 비열은 그 물체에 열이 가해지는 가열조건 및 그 때의 상태 여하에 따라   그 값이 달라진다. 특히 기체는 압력을 일정하게 하고 팽창시킬 때와 체적           을 일정하게 하고 압력의 상승을 허용하여 가열할 때와는 다르다.    
         ① 정적비열(Cv) : 일정한 체적하에서의 비열을 말하며, 이때는 열을 가할  때 체적을 일정히 하면, 압력이 높아지고 분자간의 충돌 이 일어나 열이 발생하므로 많은 열이 필요하지 않게된다.  
         ② 정압비열(Cp) : 일정한 압력하에서의 비열을 말하며, 압력을 일정하게하고 열을 가하면 체적이 늘어나서 분자간의 충돌에 의한 열이 발생하지 않으므로 많은 열을 필요로 한다.
            그래서 언제나 같은 기체라도 정압비열이 정적비열보다 많은 열이 필 요하기 때문에 정압비열이 정적비열보다 크다.
         ③ 비열비(K) : 〉1
            비열비의 값은 항상 1보다 크고 비열비가 클수록 기체는 압축후 토출가  스 온도가 상승한다.

    4) 열용량
       어떤 물질의 온도를 1  상승시키는데 필요한 열량을 말하며 그 단위는  kcal/ 이다. 일반적으로 질량이 동일할 때 열용량이 크면 비열도 크다.
        
    5) 현열(감열)
       어떤 물체에 열을 가하면 그 물체의 온도가 상승한다. 이 때 온도를 상승시킨  열량을 현열이라 부르며 계속 상승하다 상태가 변하는 온도가 되면 온도상승  은 멈추고 상(狀)이 변한다.
      
            현열(Q) = C G dt(kcal)
      
         즉, 가해진 열량Q는 물체의 온도상승 dt와 물체의 중량 G에 비례하며 여기서 상수 C는 비열이다.

    6) 잠열
       물질에 열을 가하여 상태의 변화를 일으킬 때에는 물질의 온도가 상         (狀)이 변하는 온도에서 일정한 상태로 고정되며 열만 흡수한다. 이 때 흡수한 열을 잠열이라고 한다.
        ① 고체   액체 변할 때 소요되는 열량을 융해잠열이라 한다.
       ② 액체   기체 변할 때 소요되는 열량을 기화잠열이라 한다.
       ③ 100 의 포화수 1kg이 100 의 증기로 상이 변화할 때 증발잠열은 539kcal/kg이다.
       ④ 보일러에서 압력이 상승하면 포화온도가 높아지면서 잠열이 감소  한다.
                          고체                        
                   응고            승화
                       융해                         [물질의 3상태]
                                 승화
                액체      기화       기체
                          액화          
          - 가열 : 융해, 기화, 승화
          - 냉각 : 응고, 액화, 승화
          - 액화방법 : 저온식 - LNG 등 ,  가압식 - LPG 등
          - 승화성 물질 : 나프탈렌, 드라이아이스 등
       ⑤ 보일러에서 임계압력에 도달하면 증발잠열이 0이 되며 액체, 기체 의 구별이 없어진다(임계압력 225.65kg/㎠abs).

   7) 엔탈피(Enthalpy)
      (1) 액체나 기체가 갖는 단위중량당의 열에너지이며 단위는 [㎉/㎏]이            다. 즉, 대기압상태에서 0  물 1㎏을 100 의 증기로 만들려면  639㎉/㎏의 열량을 주어야 한다. 다시말해서, 1기압을 유지한 가운데 물 0 에서 100 까지 높이는데 필요한 열(현열)은 100㎉/㎏,  여기에서 100 의 증기로 상(狀)을 변화시키는데 필요한 잠열 539 ㎉/㎏의 엔탈피가 된다.
      (2) 공기조화에서는 0  건조공기의 엔탈피를 0 ㎉/㎏으로 하여 기준을 삼고 있다.
          이때 다음과 같은 식이 성립된다.
            
    H = u + APV

       H : 엔탈피(㎉/㎏)            P : 압력(㎏/㎠)
       u : 내부에너지(㎉/㎏)        V : 비체적(㎥/㎏)
       A : 일의 열당량(㎉/㎏.m)
    
   8) 엔트로피(Entropy)
      열역학적 제2법칙에 의한 상태량이며 엔탈피의 증가량을 그 상태의 절대온도로 나눈 값이고 단위는 kcal/kg K이다(즉, 포화수는 539㎉/㎏
      의 증발잠열에 (273+100)으로 나눈 값이다).

            S =  
                  
                   S : 엔트로피 변화량(kcal/kg K)
                   Q : 열량변화(kcal/kg)
                    T : 절대온도(K)
         엔트로피는 출입하는 열량의 이용가치를 나타내는 양으로 에너지도 아니며 온도와 같이 감각으로도 알 수 없고 측정할 수도 없는   물리학상의 상태 량이다. 어느 물체에 열을 가하면 엔트로피는 증가하고 냉각시키면 감소하는 상상적인 양이다.

   9) 압력
      압력은 단위면적에 작용하는 수직 방향의 힘으로서 물리학에서는 0 의 수은주 760mm의 무게가 1㎠의 면적에 작용하는 표준압력에 해당하는 것이 1기압이며 atm(Atmosphere)의 약호를 기호로 쓴다.
      (1) 압력표시
          kg/㎡, PSI, lb/in , mAq, mmAq, mmHg, inHg
      (2) 예시
          ① 1kg/㎡ = 10-4kg/㎠ =1mmAq
          ② 1kg/㎠ = 10mH2O = 32.81ftH2O  
          ③ 1Pa(Pascal) = 1N/㎡  
          ④ 1Torr = 1mmHg
      (3) 표준대기압(atm)
          1atm=760mmHg=10.332mH2O=14.7lb/in =14.7PSI=1013mbar=101325Pa
      (4) 게이지압력(abg)
          대기압을 0으로 본 상태의 압력. 즉, 게이지(Gauge)에서 측정된  압력으로(절대압력-대기압)이 게이지 압력이 된다.
      (5) 절대압력(abs)
          절대압은 완전 진공상태에서 측정한 압력이며 대기압보다 낮은 압이 진공압이다.
                 절대압 =대기압+게이지압,  대기압-진공압
      (6) 공학기압(at)
          1at = 1kg/㎠ = 10mAq = 735.56mmHg = 14.2lb/in = 14.2PS
            * Aq : Aqua의 약자
          즉, 공학기압이란 단위면적 1㎠당 1kg의 힘이 작용하는 압력으로 kg/㎠로 사용된다.
      (7) 수두압
          물 10mH2O가 1kg/㎠의 압력이 된다.    
      (8) 국소대기압
          대기압의 습도, 온도, 고도에 따라 달리 측정될 때의 대기의 압력이다.
                                                               팽창탱크

                    게이지압                                            
                                                                       수두압(수고계에나타난다)                                          국소                             부하