공기의구성물질의특성 (2) 성분 공기 반데르워스 Van der Waals a / Pa m6 상수b / m3 mol 2 mol 분자및서로다른상태 (The molecule and the differend states of matter ) 물질을이루는분자들은끊

Size: px

Start display at page:

Download "공기의구성물질의특성 (2) 성분 공기 반데르워스 Van der Waals a / Pa m6 상수b / m3 mol 2 mol 분자및서로다른상태 (The molecule and the differend states of matter ) 물질을이루는분자들은끊"

다민 천
5 years ago
Views:

공기의물리적인특성 ( Physics ) 대기 ( 大氣, atmosphere) 는지구의인력으로지구표면을덮고있으면서여러종류의공기 (air) 를포함하고있는공간을말한다. 대기를구성하고있는공기는여러기체 (gas) 들의물리적혼합이며화학적화합물은아니다. 대표적인기체는질소, 산소, 아르곤, 그리고이산화탄소로서, 부피비로보면전체대기의 99.98% 를차지한다.

1 공기의물리적인특성 ( Physics ) 대기 ( 大氣, atmosphere) 는지구의인력으로지구표면을덮고있으면서여러종류의공기 (air) 를포함하고있는공간을말한다. 대기를구성하고있는공기는여러기체 (gas) 들의물리적혼합이며화학적화합물은아니다. 대표적인기체는질소, 산소, 아르곤, 그리고이산화탄소로서, 부피비로보면전체대기의 99.98% 를차지한다. 이들기체는지표면에서부터상공으로올라갈수록희박해지지만, 80km 까지는거의일정한비율로혼합되어있다. 자 ( 分子 ) 는원자의결합체중독립입자로서작용하는단위체. 독립된입자로행동한다고볼수있는원자의결합체이다. 분자를이루는구성원자의수에따라단원자 (He, Ne, Ar), 2 원자분자 (H2, O2, HCl),3 원자분자 (H2O, CO2), 다원자분자 (H2SO4, H2CO3), 고분자 ( 녹말, 단백질,DNA) 로분류한다. 불활성기체인단원자분자의경우분자를구성하지않고원자그대로존재하여원칙적으로분자로보기어렵지만안정된기체로다른화합물과잘반응하지않고기체특유의성질을가지므로일반적으로분자로분류하여사용한다. 공기의구성물질 (1) 성분 화학식 체적비율 질량비율 기체밀도 비중 질소 N 산소 O 아르곤 Ar 이산화탄소 CO 네온 Ne 헬륨 He 메탄 CH 크립톤 Kr 이산화황 수소 아산화질소 제논 오존 이산화질소 요오드

공기의구성물질의특성 (2) 성분 공기 반데르워스 Van der Waals a / Pa m6 상수b / m3 mol 2 mol 1

2 공기의구성물질의특성 (2) 성분 공기 반데르워스 Van der Waals a / Pa m6 상수b / m3 mol 2 mol 분자및서로다른상태 (The molecule and the differend states of matter ) 물질을이루는분자들은끊임없이운동하고있는데물질의주위환경조건 ( 온도압력등 ) 에따라상태변화를하고상태마다분자운동의정도가다르다고체는분자간의거리가매우가깝고, 분자사이의인력이매우크게작용하여분자는제자리에서진동하는운동만한다. 액체는분자간의거리는가까우나분자사이의인력이크지않아어느정도자유롭게움직이고, 기체는분자사이의거리가매우멀고, 분자간에작용하는인력이거의없기때문에분자운동이매우활발하다. 기체상태의물질에계속열을가하여온도를올려주면, 이온핵과자유전자로이루어진입자들의집합체가만들어진다. 물질의세가지형태인고체, 액체, 기체와더불어 ' 제 4 의물질상태 ' 로불리며, 이러한상태의물질을플라스마라고한다. 분자량가스상수정압비열정적비열비열비 g/mol R (J/g K) Cp (J/g K) Cv (J/g K) 질소 N 산소 O 수증기 H2O 헬륨 He 아르곤 Ar 수소 H 일산화탄소 이산화탄소 암모니아 메탄 CH /1atm, 비열 = 1kg 의물질을 1K 만상승하는데필요한열량 ( 뒷장설명 ) γ

압력 ( Pressure ) 임의의물체의표면에대하여단위면적에가해지는수직으로받는힘의크기로정의되며 kgf/ cm2,psi,mpa,bar 가대표적인압력단위이다. 1 kgf/ cm2 ( 제곱미터당중량킬로그램 ) : kgf/cm2( 비법정계량단위 ) 1 kg/m2= 9.

3 압력 ( Pressure ) 임의의물체의표면에대하여단위면적에가해지는수직으로받는힘의크기로정의되며 kgf/ cm2,psi,mpa,bar 가대표적인압력단위이다. 1 kgf/ cm2 ( 제곱미터당중량킬로그램 ) : kgf/cm2( 비법정계량단위 ) 1 kg/m2= Pa ( 정확하게 ) 이단위도 2001 년 7 월 1 일부터사용이중지된단위로서파스칼 (Pa) 로전환해서사용하여야합니다. 파스칼 (pascal) : Pa( 법정계량단위 / 유도단위 ) 1 Pa = 1 N/m 년 SI 가성립되었을때의압력의 SI 단위는 평방미터당뉴턴 (N/m2) 이였으나 1971 년파스칼 (Pa) 로바뀌었습니다. 이단위는실용상너무작아 Mpa 로사용됨 bar(barometer : 기압 ):1911 년노르웨이의 V. 비예르크네스에의해도입되어 14 년기상통보에사용하는압력의단위. 1bar 의압력은해면에서 100m 정도의압력으로, 기상관계에서는이단위가너무크므로그 1/1,000 인밀리바 (mb) 를쓴다. kg 단위로환산시 1bar = kg/ cm2이다. PSI (pounds per square inch) : lb/in² 읽는방법 : 피에스아이, 프사이 (lb 에 k 단위를붙여크사이라는단위도씀 ) 의미 : 압력의단위로 1inch² 의면적이받는무게 (pound). 참고 : 1pound(lb) = g 1inch = 2.54cm 단위환산 1 standard atmoshpere prcssure = kgf /cm a = 101,325 N/M2 = 1,013 mbar = 1.0 bar = 101,325 Pa = 14.7 Psi 1 Kg/cm 2 = atm = 0.98 bar = 98,070 pa = Psi 1.0 bar = kgf/cm2 = atm = 1,000 mbar = Psi = 100,000 Pa = 0.1Mpa 공기압축기의요청및견적시제공자는수요측에압축공기제원 ( 대표적으로압력, 유량, 용도등 ) 을요구한다. 공기압기계, 공구류등은아직까지전세계적으로사용되는단위는과거단위계화혼동되어사용되고있고당분간은이를환산해서적용해야한다. ( 검색 : SI 단위계참조 )

온도 ( Temperature ) 1.2.2 온도 ( Temperature ) : 온도란물체를구성하는분자가운동함으로써생기는운동에너지의활동정도를수치적으로표시하는물리량으로, 물체가뜨겁다또는차다고하는정도를수량적으로표시하는것을온도 (Temperature) 라고합니다.

4 온도 ( Temperature ) 온도 ( Temperature ) : 온도란물체를구성하는분자가운동함으로써생기는운동에너지의활동정도를수치적으로표시하는물리량으로, 물체가뜨겁다또는차다고하는정도를수량적으로표시하는것을온도 (Temperature) 라고합니다. 온도의단위는켈빈 (K)( 열역학온도의단위 ) 또는셀시우스도 ( )( 셀시우스온도의단위 ) 로표시합니다. 공기압축실 ( 내부 ) 온도 = 외부공기온도 +5 ( 제조마다차이가있습니다.) 배출 (Ventilation) 내부온도계 외부온도계 공기압축기 유지관리공간 통풍공기입구

공기생산량 (Volume Flow Rate): 유량 토출 l/min. m 3 /h c.f.m. 유량은임의의단면 ( 배관, 덕트 ) 을통하여흐르는유체의부피 (m3) 또는질량 (kg) 의시간에대한비율 (m 3 /h,kg/h) 을말하며, 측정단위는체적유량 (ex : m 3 /h, m 3 /min, m 3 /s) 물, 공기나가스의경우주로체적유량단위로표시하며배관내평균속도 (m/s) 와배관단면적 (m 2 ) 의곱으로계산한다.

기체의경우압력과온도에따라서기체의부피가다라지기때문에 cfm 으로만나타내면실제로얼마만큼의유량이되는지알수없습니다. 따라서앞에상황에맞는약어를붙여사용합니다.CFM 단위는 ft3/min 입니다. ICFM ( Inlet CFM ): 축정부위입력측에서측정한값 ( 온도 =35 0 C, 압력 =0.

5 공기생산량 (Volume Flow Rate): 유량 토출 l/min. m 3 /h c.f.m. 유량은임의의단면 ( 배관, 덕트 ) 을통하여흐르는유체의부피 (m3) 또는질량 (kg) 의시간에대한비율 (m 3 /h,kg/h) 을말하며, 측정단위는체적유량 (ex : m 3 /h, m 3 /min, m 3 /s) 물, 공기나가스의경우주로체적유량단위로표시하며배관내평균속도 (m/s) 와배관단면적 (m 2 ) 의곱으로계산한다. 압축공기시스템의어느지점에서흐르는양을말하며측정하는위치에따라단위가달라진다. CFM (Cubic Feet per Minute) : cfm 는 cubic feet per minute 의약어이고고체액체기체를구분하지않고모두사용되는유량 (Volume Flow Rate) 단위입니다. 기체의경우압력과온도에따라서기체의부피가다라지기때문에 cfm 으로만나타내면실제로얼마만큼의유량이되는지알수없습니다. 따라서앞에상황에맞는약어를붙여사용합니다.CFM 단위는 ft3/min 입니다. ICFM ( Inlet CFM ): 축정부위입력측에서측정한값 ( 온도 =35 0 C, 압력 =0.975bar, 상대습도 =60%) SCFM(Standard CFM): 온도 =15.6 o C, 압력 =1.013bar, 상대습도 =0% FAD:ISO1217 annex C 에규정하는 FAD 조건 ( 온도 =20 0 C, 압력 =1bar, 상대습도 =0%) Nl/min: 온도 =0 0 C, 압력 =1.013bar, 상대습도 =0% 에서의유량 L/min@ bar(psi):( 아래압력비유량표 ) 환산 : 1 CFM = (0.3048m)^3 / (1/60 hr) = 1.7 m3 /h = 1.7*1,000L / (60min) = L/min 압축기효율 ( 압력비유량표 ) cu.ft/min. Ltr./min , ,0 이것이소비측실제소비량계산법이다. 모든공기압액추에이터나분사노즐, 기계장비공구류등은작동압력 ( Working Pressure) 이메뉴얼상의스펙에나와있습니다. 9,0 8, Hz 50 Hz 예 ) 작동압력 (Working Pressure) : 0.7 Mpa ( 100 psi) 공기소비량 (Air Consumption) : 196 L/min 이뜻은 196 L/min@0.7 Mpa ( 100 psi) 라는뜻입니다. 이는소비되는측면에서계산법입니다. 공기압축기에서유량하고다르므로압축기선정시꼭참고바랍니다!!! bar psi * 공기압축기유량선정은 = 1. 시스템 ( 주변기기, 배관등 ) 의압력강하 2. 작동체의압력비소비량 3. 작동체의사용대수계수비 4. 연속가동조건등실제사용조건을반영하여공기압축기를선정한다.

6 압축공기의압력과부피, 온도 압축공기의압력과부피, 온도가일정할때압축공기의압력이감소하면기체의부피는증가하고, 압축공기의압 력이증가하면압축공기의부피는감소한다. 압력에따른압축공기의부피변화 5 온도가일정할때외부압력이변하면내부압력이외부압력과같아질때까지압축 공기의부피가감소하거나증가한다. 2 보일법칙에서의압축공기일정한온도에서압축공기의압력과부피는반비례한다. 압력 (P) 부피 (V)= 일정 구분 압력 부피 압력 부피 ( 가 ) ( 나 ) ( 다 ) 압축공기관련된현상 P 처음 V 처음 =P 나중 V 나중 온도가일정할때압축공기의부피는압력에반비례하므로압력과부피의곱은일정하다. 1 하늘높이올라간풍선이점점커지다가결국터진다. 2높은산에올라갈수록과자봉지가부풀어오른다. 3잠수부가내뿜은공기방울이수면가까이올라갈수록커진다. 4샴푸통의꼭지부분을누르면내용물이밖으로흘러나온다.

7 3 기체의온도와부피 1 기체의온도와부피압력이일정할때기체의온도를낮추면부피가감소하고, 기체의온도를높이면부피가증가한다. 압력이일정할때온도에따른기체의부피변화와분자운동 7 기체의온도가낮아지면기체의분자운동이둔해지므로기체의부피가감소한다. 기체의온도가높아지면기체의분자운동이활발해지므로기체의부피가증가한다. 2 샤를법칙일정한압력에서기체의부피는기체의종류에관계없이온도가 1` C 올라갈때마다 0` C 때부피의 1/27 3 씩증가한다. 8 V_t=V_0+V_0 t `` =V_0(1+ t `` ) (V_t: t` C 때부피, V_0: 0` C 때부피 ) 3 샤를법칙과관련된현상 온도 ( C) 부피 0 V_0=V_0&+&V_ =V_0 273 V_t=V_0&+&V_ =2V_0 0` C 에서기체의부피는 0 이아니므로그래프의직선은원점을지나지않는다. 1열기구속의공기를가열하면열기구가위로떠오른다. 2오랜시간고속도로를달린자동차의타이어가팽팽해진다. 3여름에는겨울보다자동차타이어의공기를적게넣는다. 4물이조금들어있는페트병의마개를막아냉장고속에넣으면페트병이찌그러진다.

8 용적식공기압축기의대표적인피스톤식왕복동공기압축기의전형적인체적, 온도, 압력의관계 보일의법칙 Boyle s Law pv const. 샤를의법칙 Charles Law pv T const. V T const. 이상수의값은기체분자의개수에비례할것이다 기체분자의개수가 n 몰이라면, constant pv R nt 보편기체상수 universal gas R mol K 모든기체에대하여, 기체의양과상관없이성립 이법칙에의하면 0 C, 1 기압에서모든기체의 1 몰의부피는 22.4 리터이다. 이상기체법칙 J pv nrt 기체분자의개수가 n 몰이라면, 실제의개수 N 은 n 에아보가드로숫자를곱한것과같다 N nn A 이상기체법칙을기체분자의개수 N 으로표현하려면, 위식을사용하여 n 을소거하면된다 pv N N A RT 볼츠만상수 Boltzmann constant pv Nk T k B B R 1.3 N 8 A J K

9 P-V 선도 왕복동식압축기의이론을알면용적식공기압축기의개념을알수있다. (1) 이론사이클 (ideal cycle): 이론을간단히하기위해다음의가정을한다. 1 피스톤은실린더의끝에서끝까지이동한다 ( 체적간극이없다 ). 2 공기의상태는실린더에흡입되는동안은흡입구와같다.( 흡입필터및관로의압력강하가없다 ) 3 피스톤의마찰및밸브의저항등을무시한다. 4 압축된공기는압력용기에들어가고거기서의압력, 온도는변화하지않는다. 이가정은壓力槽내의체적이대단히큰경우든가, 압력조내에서배출되는공기의 이양이각순간에압축기에서보내는공기의양과같은경우에성립된다. - 그림 3.20 은왕복압축기의이론사이클을나타낸다. - 피스톤의흡입행정은 p=p1 의직선 4-1 으로표시되고, 피스톤이압축행정으로이동한때에 ( 점 1) 흡입밸브는닫히고, 실린더내에가두어진공기는곡선 1-2 에따라상태변화를하면서압축되고, 실린더내의 압력이압력조내의압력 p2 에이르면 ( 점 2) 토출밸브가열리고, 압축된공기는압력 p2 를 기본으로압력조내에억지로보내진다. - 그러므로, 압력 p1 을기본으로공기를흡입하고이것을압력 p2 까지상승해보내는데필요한압축일은면적 (412 3) 로표시된다. - 흡입행정동안에실린더에흡입된공기의체적을 V, 질량을 M, 공기의비체적을 v 라하면압축일은 L p 2 Vdp M p1 p 2 vdp p1 - 이일량은압축이이루어지는동안의공기의상태변화의과정에따라다르다. 실제기계의경우이것을정확히아는것은어렵지만, 냉각이불충분한때는단열변화에가깝고, 실린더및실린더커버가충분히냉각된때는등온압축과단열압축의중간상태가되어 1<n<k 의폴리트로픽압축이라간주할수있다. (2) 실제사이클 (real cycle): 실제압축기에서얻어지는 p-v 선도를나타내면그림 3.21 과같으며이것을지압선도 ( 指壓線圖 ; indicated diagram) 라한다. 실제압축기에서는피스톤이맨끝에도달하더라도피스톤과실린더커버의사이에약간의틈새 (clearance) 가있다. 이체적을틈새체적 (clearance volume) 이라하고운전시에생기는압축열에의해피스톤및피스톤로드가팽창하여피스톤이실린더커버와충돌하는것을피하기위해설치된다. - 피스톤이상사점 (top dead centre) 에있을때이를상사점간극 (top clearance) vc 이라하고, 피스톤이 상사점에서하사점 (bottom dead centre) 으로움직이면이공간내에남아있던기체는그림 3.21 ( 가 ) 의 곡선 3 * -4 * 를따라팽창한다. 출처 : 경상대학교

10 - 기체의체적이 vd 가되어압력이흡입구압력 p1 과같아지면흡입밸브가열리고흡입구로부터실린더내로기체가흡입된다. - 그러므로실린더내로흡입된기체의체적은 v1-vd 가되고실린더의행정체적은 v1-vc 이다. - 기체의팽창과정을폴리트로픽변화과정이라하면 p2vc n =p1vd n 이되므로체적효율 ηv 는대학교에서배운다. - 왕복압축기는기체가흡입밸브 (suction valve) 와송출밸브 (delivery valve) 를지날때의유동저항때문에실린더내의압력을나타내는 p-v 선도는그림 3.21 ( 나 ) 와같이된다. - 피스톤의하향행정중실린더내의압력이흡입구압력 p1 보다흡입밸브에서의유동저항 Δ p1 만큼 더낮아졌을때 ( 점 4 ** ) 흡입밸그가열려외기가실린더내로흡입된다. - 상향행정중에는실린더내의압력이송출구압력 p2 보다송출밸브에서의유동저항 Δp2 만큼높아졌을때송출밸브가열려기체를실린더밖으로밀어낸다. - 공기의흡입량은일반적으로흡입구에서의공기의상태로나타내지므로, 그상태로환산하는데는그 림에서팽창선및압축선이 p=p1 이되는선과만나는점에서유효흡입량 (effective suction volume), 즉有效吸入行程 (effective suction stroke) 은 (v1*-vd) 이다. - 실린더내로새로이흡입된공기는잔류공기와혼합하여그열을받음과동시에, 연속사이클의압축열에의해고온으로된실린더벽에서도열을받는다. 그러므로압축시작시의공기의온도 T1* 는흡입구에서의공기의온도 T1 보다높다. - 또, 압축과정중에실린더내의압력이대기압 ( 흡입구압력 ) 과같아졌을때기체의온도는압축일에의해 T1** 가된다. - 따라서압축과정중에일어나는기체의온도상승을감안하면유효흡입량은 (v1*-vd)t1/t1** 이되고체적효율 ηv 는대학에서배운다. 200 bar P 3. Stage 2. Stage 1. Stage 3 단 P-V 선도 200 bar P saving of work 1 bar V 1 bar V 출처 : 경상대학교

압축공기 시스템의 열이동 열(熱)은 따뜻한 정도가 서로 다른 두 물체가 접촉했을 때 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이 동하는 에너지를 말한다.어느기계 징비 들과 마찬가지로 공기압축기도 열을 방출하는 기계로 압축부 뿐만이 아니라 시스템 모든 부분에서 열전도, 열대류, 열복사의 방법으로 이동한다.

미 시적인 관점에서 볼 때, 전도는 뜨겁고, 빠르게 운동하거나 진동하 고 있는 원자, 분자들이 인접해있는 원자, 분자들과 상호작용하면 서 이들 이웃 원자들에게 그들의 에너지(열)의 일부를 전달하는 방식으로 일어난다. 즉 전도는 물체 속에서 열이 순차적 으로 전달되어 가는 현상을 말한다.

11 압축공기 시스템의 열이동 열(熱)은 따뜻한 정도가 서로 다른 두 물체가 접촉했을 때 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이 동하는 에너지를 말한다.어느기계 징비 들과 마찬가지로 공기압축기도 열을 방출하는 기계로 압축부 뿐만이 아니라 시스템 모든 부분에서 열전도, 열대류, 열복사의 방법으로 이동한다. 압축기 본체 및 연결부의 모든부분의 열전당 :전도 열전도. 에너지가 열의 형태로 고온 TH의 열저장고에서 저온 TC 의 열저장고로, 두께가 L이고 열전도도가 k인 판을 통해 전달된다 전도는 고체에서 열의 전달이 일어나는 가장 중요한 형태이다. 미 시적인 관점에서 볼 때, 전도는 뜨겁고, 빠르게 운동하거나 진동하 고 있는 원자, 분자들이 인접해있는 원자, 분자들과 상호작용하면 서 이들 이웃 원자들에게 그들의 에너지(열)의 일부를 전달하는 방식으로 일어난다. 즉 전도는 물체 속에서 열이 순차적 으로 전달되어 가는 현상을 말한다. 전도에 의한 열의 전달속도는 물체 단위길이당 온도차에 비례하며, 물체의 재질에 따라 달라진 다. 면적이 A이고 두께가 L인 판의 양면의 온도가, 한 면은 뜨공냉 식 후부 냉각기 거운 열저장고에 의해 TH로, 나머지 한 면은 차가 운 열저장고에 의해 Tc로 일정하게 유지될 때, 단위 시간당 전달 되는 에너지양, 즉 전도율Pcond는 열전도. 에너지가 열의 형태로 고온 TH의 열저장고에서 저온 TC의 열저장고로, 두께가 L이 고 열전도도가 k인 판을 통해 전달된다 이다. 여기서 k는 열전도도로 물질에 따라 달라지는 상수이며 에너지를 빨리 전달하는 좋은 열전도체는 k값이 크다. 대류 대류는 액체와 기체 내에서 일어나는 열 전달의 주된 형태이다. 대류라는 용어는 전도와 유체 흐름의 복합적 인 효과의 성격을 나타내기 위해 사용하는 용어이다. 일반적으로 온도가 상승하면 밀도가 감소한다. 따라서 물이 가열될 때 냄비 바닥에 있는 뜨거운 물은 위로 올라가고, 상대적으로 차갑고 밀도가 큰 액체는 아래로 내려간다. 이러한 혼합과 전도의 결과 거의 동일한 밀도와 온도가 된다. 대류는 일반적으로 두 가지 방식으 로 구별된다. 중력과 부력에 의해 유체의 운동이 야기되는 자유대류와 유체를 움직이기 위해 선풍기나 교반 기 등의 도구를 사용하는 강제대류로 구분된다. 부력 대류는 중력에 의한 현상이므로 중력이 거의 없는 환경 에서는 일어나지 않는다. 압력용기 복사에 의한 열의 방출 압축공기의 부하에 따른 압력강하는 모두 열로 변환되어 소중한 에너지를 낭비하게 된다. 그래서 시스템 설계가 매우 중요하다.!

복사빨갛게달군뜨거운철기구의열이복사를통해주변환경에전달되고있다. 복사는유일하게매질이없는상황에서도일어날수있는열전달의형태이다. 따라서복사는진공에서열전달이일어날수있는유일한방법이다. 열적복사는물질속의원자들과분자들의운동때문에나타나는직접적인결과이다. 빨갛게달군뜨거운철기구의열이복사를통해주변환경에전달되고있다.

12 복사빨갛게달군뜨거운철기구의열이복사를통해주변환경에전달되고있다. 복사는유일하게매질이없는상황에서도일어날수있는열전달의형태이다. 따라서복사는진공에서열전달이일어날수있는유일한방법이다. 열적복사는물질속의원자들과분자들의운동때문에나타나는직접적인결과이다. 빨갛게달군뜨거운철기구의열이복사를통해주변환경에전달되고있다. 온도변화와비열같은질량 ( 예를들어 1g) 의여러물질에같은양의열을가하더라도물질마다온도가증가하는정도가다르다. 열에의해온도가증가하는정도를나타내기위해비열을사용한다. 비열 = 물질 1g 을 1 o C 올리는데필요한열의양 비열의단위로는 cal/g. o C, J/g. o C 등이있다. 물질 상태 비열 (Jg -1 K -1 ) 수소 기체 헬륨 기체 5.19 공기 기체 1.01 기체 2.08 물 액체 4.18 고체 2.11 에탄올 액체 2.44 철 고체 0.45 구리 고체 0.39 금 고체 0.13 아스팔트 고체 0.92 유리 고체 0.84 모래 고체 0.84 인체 ( 평균 ) 3.5 아래의표로부터일반적으로금속의비열이아주작다는것을알수있다. 비열이작다는것은작은열로도온도를많이높일수있다는뜻이다. 금속의그러한성질때문에조리기구로많이사용된다. 물의비열은다른액체에비해큰편이다. 비열이높다는것은온도가조금오르면서많은열을흡수할수있다는뜻이기도한다. 따라서물을수냉식애프터쿨러로사용하여고열의압축공기로부터열을빼앗아주는냉각물질로흔히사용된다. 참고 : 몰열용량 C m ) 물질 1mol을 1 C 올리는데필요한열량 q = ( C m ) ( 물질의몰수 ) ΔT 예를들어, 물의비열은 4.179J/g C이며몰열용량은비열 18 = 75.29J/mol C이다.

13 열역학법칙 기초과학에서의열역학열역학은에너지를공부하는학문또는물질의성질과상태를이해하는학문이라고할수있다. 물질이란무엇이며, 물질이어느조건하에서어떤상태에있다고하는것이무엇을의미하는가를이야기하는것이열역학이다. 또다른표현으로열과일그리고에너지의관계를체계적으로규명하는학문이라고할수도있다. 열역학은과학과공학의여러분야에서근간을이루는학문으로, 과학의기초를공부하는과정에서조금씩공부하였다. 일반물리학의교과서에서는아마도다음에열거한것처럼여러가지제목으로나뉘어져있었을것이다. 온도 (Temperature) 열과열역학의제 1 법칙 (Heat and the First Law of Thermodynamics) 기체운동론 (Kinetic Theory of Gases) 엔트로피와열역학의제 2 법칙 (Entropy and the Second Law of Thermodynamics) (1) 열역학제 0 법칙 : 만약두개의계가다른세번째계와열적평형상태에있으면이두개의계는반드시서로에대해열적평형상태이어야한다는것이다. 이법칙은온도를정의하는하나의방법이다. (2) 열역학제 1 법칙 : 고립된계에에너지는일정하다는것이다. 에너지는다른것으로전환될수있지만생성되거나파괴될수는없다. 열역학적의미로는내부에너지의변화가공급된열에일을빼준값과동일하다는말이다 (3) 열역학제 2 법칙 : 만약어떤닫힌계의엔트로피가열적평형상태에있지않다면엔트로피는계속증가해야한다는법칙이다. 닫힌계는점차열적평형상태에도달하도록 변화한다.( 즉, 엔트로피를최대화하기위해계속변화한다.) 우주 (4) 열역학제 3 법칙 : 온도가 0K 로접근하면, 순수한물질의엔트로피는 0 에접근된다. : 순수결정성물질의엔트로피는절대온도에서 0 이다.

14 매우중요 이상기체의열역학 공기압축기의에서이상기체열역학적상태변화는크게보면모든부분에서모두일루어진다. 그러나이걸계산하하기는쉽지않다. 그래서이해를하려면개별적으로분석하여전체적인개념을이해해야한다. 반듯이이해가고넘어가야한다. (1) 이상기체의열역학적상태변화 : 이상기체의열역학적인상태변화란어느이상기체의온도, 압력, 부피등의물리량이변화되는과정을의미한다. 초기열역학적상태에서나중열역학적상태로의변화열역학적상태 : 압력, 부피, 온도가일정하게유지되는하나의상태로이상기체의열역학적상태는이상기체상태방정식을통해압력, 부피, 온도중두가지물리량만결정되면나머지열역학함수들을계산할수있다. 온도, 압력, 부피가모두변하는과정은복잡한수학지식이수반되어야하므로우선한가지물리량은고정시키고나머지두가지물리량의변화에따른과정을정리한다 이상기체의등압, 등적, 등온과정의열역학함수 (2) 가역등압과정 1내부에너지변화 ( ) - 열역학제1법칙에의해출입된열과일의합으로구한다. 2 열 ( )- 이상기체는열이출입된만큼온도가증감하므로온도변화를측정하여출입된열의양을알수있다. ( : 몰수, : 일정압력몰열용량 ) 3 일 ( ) - 일정한압력조건에서부피가변한만큼주위에일을하거나받게되므로부피변화를측정하여출입된일의양을알수있다. 나중압력 = 초기압력 4 엔탈피변화 ( ) - 엔탈피변화의정의는일정압력조건에서의열 ( ) 과같다. ( : 몰수, : 일정압력몰열용량 ) 5 엔트로피변화 ( ) - 무질서한정도를의미하고일정압력조건에서는온도가증가한만큼무질서도가증가한다. = 가역 =

15 (3) 가역등적과정 1 내부에너지변화 ( ) - 열역학제 1 법칙에의해출입된열과일의합으로구한다. 2 열 ( ) - 이상기체는열이출입된만큼온도가증감하므로온도변화를측정하여 출입된열의양을알수있다. ( : 몰수, : 일정부피몰열용량 ) 3 일 ( ) - 일정한부피조건에서는부피변화가없으므로일에의한에너지출입은 없다. 나중압력 = 0 초기압력 4 엔탈피변화 ( ) - 엔탈피변화의정의는일정압력조건에서의열 ( ) 과같다. ( : 몰수, : 일정압력몰열용량 ) : 실험을행한조건이일정부피조건이지만엔탈피변화량 ( ) 은일정압력에서의열로계산된다. 따라서일정부피조건에서의열과엔탈피변화량 ( ) 은같 지않다. 5 엔트로피변화 ( ) - 무질서한정도를의미하고일정부피조건에서는온도가증가한만큼무질서도가증가한다. = 가역 = (4) 가역등온과정 1 내부에너지변화 ( ) - 열역학제 1 법칙에의해출입된열과일의합으로구한다. 온도변화가없다면운동에너지변화가없으므로등온과정에서는내부에너지변화가없다. =0 2 일 ( ) - 일정한온도조건에서부피가변한만큼주위에일을하거나받게되므로 부피변화를측정하여출입된일의양을알수있다. 나중압력 = 초기압력 ( ) = 3 열 ( ) - 온도가일정하므로출입된열이없을거라착각하는경우가많다. 온도가 일정하면내부에너지변화가 0 인것은맞다. 하지만일을한만큼열에의한에너지가출입 되어야한다. = ( ) 4 엔탈피변화 ( ) - 엔탈피변화의정의는일정압력조건에서의열 ( ) 과같다. ( : 몰수, : 일정압력몰열용량 ) 5 엔트로피변화 ( ) - 무질서한정도를의미하고일정온도조건에서는부피가증가한만큼무질서도가증가한다. = 가역 =

16 (5) 가역단열과정 1 내부에너지변화 ( ) - 열역학제 1 법칙에의해출입된열과일의합으로구한다. 2 열 ( ) - 단열조건이란열의출입이없는조건을말한다. 3 일 ( ) - 열의출입이없으므로일의양은 와같다. 4 엔탈피변화 ( ) - 엔탈피변화의정의는일정압력조건에서의열 ( ) 과같다. ( : 몰수, : 일정압력몰열용량 ) 5 엔트로피변화 ( ) - 무질서한정도를의미하고일정부피조건에서는온도가증가한만큼무질서도가증가한다. = 가역 = 0 ( ) 가역변화 (reversible change) - 엔트로피변화의총합이 0(zero) 인변화 비 - 가역적인변화가아닌변화즉, 어떤변화에서하나의시스템이열역학적상태 S1 로부터시작해서상태 S2 에도달케한다음, 다시상태 S1 로복귀시키는경우에, 사용할지도모르는다른물체도사용전의역학적상태로복귀시킬수있을때, S1 에서 S2 로의변화를가역변화라고한다. 예를들면마찰이없는진공속에서운동하는진자는운동에너지와위치에너지가상호전환하여주기적으로원상태로복귀한다. 이와같은변화즉, 하나의역학적상태에서다른역학적상태로의변화를반복할수있는경우를가역변화라한다. 비 - 가역변화 (irreversible change) - 엔트로피변화의총합이증가 물체에어떤변화를가한다음, 그상태를다시변화전의원래의상태로복귀시키는경우, 이때물체자신이다시원래의상태로복귀하면서다른어떤변화를주위에남길경우를비 - 가역변화라한다.( 가능한모든방법을사용해도 ) 예를들면고온물체와저온물체를서로접촉시키면언젠가는서로온도가같아지게된다. 그러나이들을다시원래의온도로복귀시키고자할경우, 고온물체는가열해야하고, 저온물체는냉각시켜야한다. 가열또는냉각시키기위해서는별도의장치를필요로하며, 또주위의대기등에어떤변화를남기게된다. 엔탈피 (enthalpy) 열역학적상태를표시하는물리량의하나. 물체내부에너지와밖에서가해진압력으로인한부피변화량을합한것, 즉 H=U+pV(U 는내부에너지, p 는압력, V 는부피 ) 로정의된다. 엔트로피 (entropy) 열역학에서중요한제 1 법칙은에너지보존의법칙, 즉우주에존재하는에너지총량은일정하며절대변하지않는다는것이다. 제 2 법칙은대부분자연현상의변화는어떤일정한방향으로만진행한다. 즉, 이미진행된변화를되돌릴수없다는의미이다. 따라서자연물질계의변화는엔트로피의총량이증가하는방향으로진행한다. 이것을엔트로피증가의법칙이라고한다. 즉가용할수있는에너지는일정한데자연의물질은일정한방향으로만움직이기때문에무용한상태로변화한자연현상이나물질의변화는다시되돌릴수없다는것이다. 즉다시가용할수있는상태로환원시킬수없는, 무용의상태로전환된질량 ( 에너지 ) 의총량을 ' 엔트로피 (entropy)' 고한다

<4D F736F F F696E74202D20342EBFADBFAAC7D02D32B9FDC4A22E BC8A3C8AF20B8F0B5E55D>

<4D F736F F F696E74202D20342EBFADBFAAC7D02D32B9FDC4A22E BC8A3C8AF20B8F0B5E55D> 4. 열역학 : 제 2 법칙 이광남 열역학 : 제 2 법칙칙 1 엔트로피 자발적변화 (spontaneous change) ~ 시간에는무관 비자발적변화 (nonspontaneous change) 4.1 자발적인변화의방향 무질서해지려는에너지와물질의경향 물질의분산방향 에너지의분산방향 열역학 : 제 2 법칙칙 2 자발적인물리적과정 1. 물질이무질서해지려한다. 2.