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윤희 오
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1 Dept. of Energy System Engineering 제 1 장. 열역학의기본개념 (Introduction and Basic Concepts) Chon, Mun Soo Dept. of Energy System Engineering Korea National University of Transportation Tel mschon@ut.ac.kr

열역학과에너지 열역학의정의 (thermodynamics) 열과일, 에너지변환의상호관계를다루는과학 Wikipedia: is a branch of natural science concerned with heat and its relation to energy and work.

2 열역학과에너지 열역학의정의 (thermodynamics) 열과일, 에너지변환의상호관계를다루는과학 Wikipedia: is a branch of natural science concerned with heat and its relation to energy and work. It defines macroscopic variables such as temperature, internal energy, entropy, and pressure 에너지 (Energy): 변화를일으키는능력 = Therme (Greek word; heat) + Dynamis (Greek word; power) 에너지보존법칙 (conservation of energy) 가장기초적인자연법칙 에너지는한형태에서다른형태로변화할수는있으나, 생성되거나소멸될수는없으며에너지의총량은항상일정하다.

이라는의미를내포하고있음 열역학제 법칙 (the second law of thermodynamics)

3 열역학과에너지 열역학제 1 법칙 (the first law of thermodynamics) 에너지보존법칙에대한표현 에너지는열역학적상태량 (thermodynamic property) 이라는의미를내포하고있음 열역학제 법칙 (the second law of thermodynamics) 에너지는양 (quantity) 뿐만아니라질 (quality) 을가지고있음 실제과정에서는에너지의질을저하시키는방향으로진행됨 3

4 열역학과에너지 고전열역학 (classical thermodynamics) 온도, 압력, 밀도등과같은열역학적물리량을결정하는데물질을구성하고있는분자들개개의거동에대한정 보가필요없는거시적관점의접근법 (macroscopic approach) 통계열역학 (statistical thermodynamics) 물질을구성하는모든분자들개개의거동에대한평균값을통계적으로분석하는미시적관점의접근법 (microscopic approach) Atmospheric P, T Mean free path of a gas molecule 10 0 atoms Continuum equations! 4

5 열역학과에너지 열역학의응용분야 (applications areas of thermodynamics) Steam power plant 5

6 열역학과에너지 열역학의응용분야 (applications areas of thermodynamics) Internal combustion engine 6

7 열역학과에너지 열역학의응용분야 (applications areas of thermodynamics) Gas turbine 7

8 열역학과에너지 열역학의응용분야 (applications areas of thermodynamics) Vapor Compression Refrigeration Cycle 8

9 열역학과에너지 열역학의응용분야 (applications areas of thermodynamics) Shipboard nuclear propulsion system Fuel cell Chemical rocket engine Wind turbine, etc. 9

10 차원과단위 차원과단위 (dimensions and units) 물리량 : 자연계에서일어나는여러물리현상을해석하기위한수학적인양 (quantity) 물리량은 차원 ( 次元, dimensions) 에의해그특성이정의되며, 차원에부여된크기를 단위 ( 單位, units) 라한다. 1차차원 (primary dimensions) 기본물리량을정의하기위해 1954년제 10회국제도량형회의에서기본차원 (fundamental dimensions) 및단위를결정함 SI 단위계, 국제단위계 (Le Systeme International d Unites, International System of Unit) : 실용적인측정단위계의기본단위로길이, 질량, 시간, 전류, 열역학적온도, 몰질량및광도등 7개의기본단위와 개의보조단위, 유도단위로구성됨 Primary dimension and SI units Dimension Name Unit Length meter m Mass kilogram kg Time second s Temperature kelvin K Electric current ampere A Amount of light candela cd Amount of matter mole mol 10

11 차원과단위 차차원 (secondary dimensions) 유도차원 (derived dimensions) 이라고도하며, 1 차차원을사용하여정의되는물리량과그단위 면적 (m), 체적 (m3), 속도 (m/s), 밀도 (kg/m3), 힘 (N), 압력 (Pa), 에너지 (J) 등이있음 Secondary dimensions and SI units Dimension Name Unit Area square meter m Volume cubic meter m 3 Speed, Velocity meter per second m/s Density kilogram per cubic meter kg/m 3 Specific volume cubic meter per kilogram m 3 /kg Secondary dimensions and SI units with special name Dimension Name Unit Equivalents Force, Weight newton N kg m/s Pressure, Stress pascal Pa N/m, kg/m s Energy, Work, Heat joule J N m, kg m /s Power watt W J/s, kg m /s 3 Frequency hertz Hz 1/s 11

차원과단위 SI 단위의표준접두어 (standard prefixes in SI units) 십진법에근거한 SI 단위의곱으로모든공학분야에사용됨 Standard prefixes in SI units Multiple Prefix Multiple Prefix 10 1 da, deka 10-1 d, deci 10 h, hecto 10 - c, centi 10 3

12 차원과단위 SI 단위의표준접두어 (standard prefixes in SI units) 십진법에근거한 SI 단위의곱으로모든공학분야에사용됨 Standard prefixes in SI units Multiple Prefix Multiple Prefix 10 1 da, deka 10-1 d, deci 10 h, hecto 10 - c, centi 10 3 k, kilo 10-3 m, milli 10 6 M, mega 10-6 µ, micro 10 9 G, giga 10-9 n, nano 10 1 T, tera 10-1 p, pico P, peta f, femto E, exa a, atto 10 1 Z, zetta 10-1 z, zepto 10 4 Y, yotta 10-4 y, yocto 1

13 차원과단위 힘 (force) SI 단위 : 질량 (kg), 길이 (m), 시간 (s) 영국단위 : 질량 (lbm), 길이 (ft), 시간 (s) 1 lb m = kg 1 ft = m 100 g Force (N) = Mass (m) Acceleration (m/s ) F = ma = ( 1 kg) ( 1 m s ) 1 lbf = ( 1 lbm ) ( ft / s ) 1 N / f ( 1 kg) ( m s ) 1 kg = / 10 g g kg m 1 lbf = 1 lbm ft / s N 1 lb m 1 ft = 13

차원과단위 일과에너지 (work and energy) 힘과그힘에의하여힘의방향으로이동한거리와의곱으로표시하며, 에너지와동일한단위 Work (J) = Force (N) Distance (m) 열 (heat): 고온의물체로부터저온의물체로이동하는에너지를열이라하고, 그크기를열량이라한다. SI 단위로 J (joule) 을사용함 1cal : 14.

14 차원과단위 일과에너지 (work and energy) 힘과그힘에의하여힘의방향으로이동한거리와의곱으로표시하며, 에너지와동일한단위 Work (J) = Force (N) Distance (m) 열 (heat): 고온의물체로부터저온의물체로이동하는에너지를열이라하고, 그크기를열량이라한다. SI 단위로 J (joule) 을사용함 1cal : 14.5 C의물 1g을 1 C올리는데필요한열에너지 (= J) 1BTU(British Thermal Unit) : 물 1lb의온도를 1 F올리는데필요한열에너지 (1 kcal = BTU) kg 100 C 1 BTU 1 lb 1 F = 0. 5 kcal 1 lb = 180 F kj = 0. 5 kcal = kj 1 kcal 1 BTU 1 kj 14

차원과단위 동력, 일률 (power) 단위시간에한일의양 1 hp ( horse power) = 0. 746 kw 9.

15 차원과단위 동력, 일률 (power) 단위시간에한일의양 1 hp ( horse power) = kw N 1 PS ( metric horse power) = 75 kg f m / s = 75 kg f m / s = W 1 kg f 1 kw = hp 1 kw = PS 15

16 밀폐계와개방계 용어의정의 계 (system): 해석을위해고려된물질의양또는공간영역 주위 (surroundings): 계 (system) 외부의질량이나공간 경계 (boundary): 계 (system) 와주위 (surroundings) 를구분하는실제또는가상의표면으로고정되거나이동할수있으며, 두께가없으므로질량을담을수없고체적을차지할수도없다. 16

17 밀폐계와개방계 밀폐계와개방계 (closed system and open system) 밀폐계 (closed system): 검사질량 (control mass) 이라고도하며, 질량은계의경계를통과할수없다. 개방계 (open system): 검사체적 (control volume) 이라고도하며, 해석을위해적절히선택된공간내의영역으로질량과에너지모두검사체적의경계를통과할수있다. Yes! Mass Energy Yes! Energy Mass Yes! No! Mass Yes! Closed system Open system 17

18 계의상태량 상태량 (properties) 계의특성또는성질을나타내는물리량 강도적상태량 (intensive properties): 온도, 압력, 밀도등과같이계의크기와무관한상태량 종량적상태량 (extensive properties): 질량, 체적, 에너지등과같이계의크기또는범위에따라변하는상태량 비상태량 (specific properiesy): 단위질량당종량적상태량 v = V m 3 E ( m / kg), e = ( kj / kg) m 18

19 밀도와비중 밀도와비중 (density and specific gravity) 밀도 (density): 단위체적당질량 비체적 (specific volume): 단위질량당체적 비중 (SG, specific gravity): 기준물질 (4 C 의물의밀도, ρ water = 1,000 kg/m 3 ) 과의밀도비 비중량 (γ S, specific weight): 단위체적당중량 m 1 3 V 1 3 ρ = = ( kg / m ) v = = ( m / kg) V v m ρ SG of some substances at 0 C Substance SG Blood 1.05 ρ SG = ρ H O SG ρ Hg Hg ρ = = ρ Hg H O = ρ = 13, 600 kg / m H O = kg / L 3 ( 1L = 10 3 m 3 ) Gasoline 0.7 Ethyl alcohol 0.79 Wood Gold 19. γ = ρ g s ( N / m 3 ) = g / cm 3 Ice 0.9 Air (at 1 atm)

상태와평형 평형 (equilibrium) 평형 (equilibrium) 은균형이이루어진상태 (state) 를의미하며, 열역학은평형상태 (equilibrium state) 를다룸 평형상태에서는시스템내부에불균형된포텐셜 (potential) 또는구동력 (driving force) 이없음 (No unbalanced potentials or No driving

20 상태와평형 평형 (equilibrium) 평형 (equilibrium) 은균형이이루어진상태 (state) 를의미하며, 열역학은평형상태 (equilibrium state) 를다룸 평형상태에서는시스템내부에불균형된포텐셜 (potential) 또는구동력 (driving force) 이없음 (No unbalanced potentials or No driving forces) 열적평형 (thermal equilibrium): No temperature difference throughout the entire system 역학적평형 (mechanical equilibrium): No pressure change at any point of the system 화학적평형 (chemical equilibrium): No chemical reactions occur or chemical composition of a system does not change with time Thermal equilibrium 0

21 상태와평형 상태 (state) 계의상태 (state) 는상태량들에의해정의되지만, 상태를결정하기위해모든상태량을정의할필요는없다. 상태의원리 (state postulate): 단순압축성계 (simple compressible system ) 의상태는두개의독립적인강도성상태량으로완전하게정의할수있다. 단순압축성계 (simple compressible system) 의 : 전기, 자기, 중력, 운동및표면장력등의효과를무시할수있는시스템 The state of nitrogen is fixed by two independent, intensive properties. 1

22 과정과사이클 과정과사이클 (processes and cycles) 과정 (process): 계가한평형상태에서다른평형상태로진행되는변화 경로 (path): 계의상태변화과정곡선. 경로의기술은과정의초기상태, 최종상태, 주위와의상호작용을명시해야됨 준정적과정 (quasi-static process) : 준평형과정 (quasi-static process) 이라고도하며, 계가내부적으로변화에순응할수있는시간이충분하여, 변화과정동안계내부의상태량들의평형이유지되는과정. 실제과정이아닌이상적인과정이나, 대부분의실제과정이준평형상태와가까워준평형과정으로모사할수있음

23 과정과사이클 과정과사이클 (processes and cycles) 과정선도 (process diagram): 상태량들을좌표로과정을가시화한그림 등온과정 (isothermal process): 온도가일정하게유지되는동안의과정 정압과정 (isobaric process): 압력이일정하게유지되는동안의과정 정적과정 (isometric process): 체적이일정하게유지되는동안의과정 사이클 (cycle): 계의시작과마지막의상태가동일한과정 Cycle: Initial state = Final state P-V diagram of a compression process 3

24 과정과사이클 정상유동과정 (the steady-flow process) 정상 (steady): 시간에대한변화가없음을의미하며, 반대말은비정상 (unsteady) 또는천이 (transient) 이다. 균일 (uniform): 공간에대한변화가없음을의미 정상유동과정 : 이상화된과정으로작동유체가검사체적을통해정상적으로 (steadily) 흐르는동안의과정. 따라서정상유동과정동안검사체적내의체적 (V), 질량 (m) 및총에너지 (E) 는일정하다. During a steady-flow process, fluid properties within the control volume may change with position but not with time. 4

온도와열역학제 0 법칙 정상유동과정 (the steady-flow process) 온도 (temperature): 뜨거움이나차가움의정도를나타내는기준으로, 보통온도에의존하는물질의상태량변화 ( 예 ; 온도에따른수은의팽창정도 ) 를이용하여온도를측정함 열적평형 (thermal equilibrium): 접촉하고있는온도가다른두물체중,

25 온도와열역학제 0 법칙 정상유동과정 (the steady-flow process) 온도 (temperature): 뜨거움이나차가움의정도를나타내는기준으로, 보통온도에의존하는물질의상태량변화 ( 예 ; 온도에따른수은의팽창정도 ) 를이용하여온도를측정함 열적평형 (thermal equilibrium): 접촉하고있는온도가다른두물체중, 높은온도의물체에서낮은온도의물체로온도가동일하게될때까지열이전달되는열전달현상이멈추는상태 열역학제 0법칙 (the zeroth law of thermodynamics): 두물체가제 3의물체와열적평형상태에있다면, 이두물체도서로열적평형상태에있다. 이제 3의물체를온도계로대체하면, 두물체가서로접촉하고있지않더라도온도눈금이같으면두물체는열적평형상태에있다 는것을의미한다. T A = T thermometer T B = T thermometer T A = T B Basis of temperature measurement 5

26 온도와열역학제 0 법칙 온도눈금 (temperature scales) 모든온도눈금은물의어는점 ( 빙점, ice point) 과끓는점 ( 비등점, boiling point) 을기준으로정함 빙점 (ice point or freezing point): 1기압에서평형상태에있는순수한물과얼음혼합물의온도 (0 C, 3 F) 비등점 (boiling point or steam point): 1기압에서평형상태에있는물과수증기혼합물의온도 (100 C, 1 F) 섭씨눈금 (Celsius scale, centigrade scale): SI 단위계의온도눈금 (cf. A. Celsius, ) 화씨눈금 (Fahrenheit scale): 영국단위계의온도눈금 (cf. G. Fahrenheit, ) 열역학적온도눈금 (thermodynamic temperature scale): 물질자체또는물질의상태량에무관한독립적인온도눈금으로, SI 단위계에서는켈빈 (K, Kelvin) 눈금 (cf. Lord Kelvin, ) 을영국단위계에서는랭킨 (R, Rankine) 눈금 (cf. William Rankine, ) 을사용함. Kelvin 눈금에서가장낮은온도는분자의운동이완전이정지되는 0 K으로, 이상기체온도눈금 (ideal gas temperature scale) 의절대압력 0에해당함 6

온도와열역학제 0 법칙 온도눈금 (temperature scales) C K F R 100.00 373.15 1.00 671.67 Boiling point 0.01 73.16 3.0 691.69 0.00 73.15 3.00 691.67 Triple point Ice point T = T R F + 459.

27 온도와열역학제 0 법칙 온도눈금 (temperature scales) C K F R Boiling point Triple point Ice point T = T R F ( R) Absolute zero Celsius Kelvin Fahrenheit Rankine T = T ( K) T = T ( R) K C + T 5 = 9 ( T 3) (K) R F + C F TF = T C + 3 (K) F =? C 0 C =? F 7

압력 압력 (pressure) 단위면적당수직으로작용하는힘의크기 1 Pa = 1 N / m 1 bar = 10 Pa = 100 kpa = 0. 1 MPa 5 1 kg f / cm = 9. 807 N / cm = 9. 807 10 N / m = 0.

28 압력 압력 (pressure) 단위면적당수직으로작용하는힘의크기 1 Pa = 1 N / m 1 bar = 10 Pa = 100 kpa = 0. 1 MPa 5 1 kg f / cm = N / cm = N / m = bar = 10 mho 4 표준대기압 (atm, standard atmospheric pressure): 중력가속도 g 가국제표준값인 m/s 인장소에서밀도 ρ 가 g/cm 3 인수은주 760 mm 를 나타내는압력 ρ g g / cm gh Hg HO HO Hg 3 ρ g 1 g / cm Hg Hg ( ρ ) = ( ρgh), h = h = m = mh O, 1 atm = mh O H O H O 1 kg cm 4 f / N / m 1 atm mh O = = 101, 35 N / m = kpa 10 mho 1 kg f / cm 8

29 압력 압력 (pressure) 1 psi = 1 lb 1 in f 1 atm 1 kg m / s 1 N 1 lb 1 lb m f kg lbm ft / s 1 ft m 1 in = 101, 35 N / m m f. = lb / in = psi 1 atm = mh = / 1 kg f / cm O kg f cm 10 mho 1 atm = 760 mmhg = kpa = bar = mh O = psi 9

30 압력 절대압력, 계기압력, 진공압력 (absolute pressure, gage pressure, and vacuum pressure) 절대압력 (absolute pressure): 주어진위치에서실제압력으로, 완전진공 ( 절대영압력, absolute zero pressure) 에대한상대압력 계기압력 (gage pressure): 절대압력과대기압사이의차압. 대부분의압력계는대기압에서눈금을영으로보정하기때문에계기압력이라함 진공압력 (vacuum pressure): 대기압보다낮은압력으로대기압력과절대압력사이의차압 P gage > Atmospheric pressure P gage P abs Atmospheric pressure P gage = P abs P atm P atm P vac P vac > Atmospheric pressure P vac = P atm P abs P abs P abs = 0 30

31 압력 깊이에따른압력변화 (variation of pressure with depth) F = maz = 0 : P1 x + P x W z = P x P1 x ρ x z g = 0 0 = P P = ρ g P 1 z dp dz = ρ g : dp = P P1 ρgdz = 1 P = P1 + ρ gh 31

32 압력 파스칼의법칙 (Pascal s law) 유체에가해지는압력은유체내모든곳의압력을같은양만큼증가시킨다. F1 F F P 1 = P, =, = A A F 1 1 A A 1 액주식압력계 (manometer) 압력차이가이유체기둥의높이차이에비례하는원리를이용하여압력을측정하는압력계 P = P = P gas 1 P = Patm + ρgh P A = P B P ρ 1g( a + h) = ρgh + ρ1ga P P = P1 P = ( ρ ρ1) gh 3

PowerPoint 프레젠테이션

PowerPoint 프레젠테이션 1 1.1 열역학의사용 열역학 (thermodynamics)? 에너지와그에너지변환을연구하는학문 에너지와엔트로피를다루는과학 Albert Einstein 이론이라는것은가정이간단할수록, 그이론과관련된것들은다양할수록, 그리고그이론의응용범위가넓을수록더욱인상적인것이된다. 따라서나는고전열역학에깊은감명을받았다 공업열역학 (engineering thermodynamics)?