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1.1 열역학의사용 열역학 (thermodynamics)? 에너지와그에너지변환을연구하는학문 에너지와엔트로피를다루는과학 Albert Einstein 이론이라는것은가정이간단할수록, 그이론과관련된것들은다양할수록, 그리고그이론의응용범위가넓을수록더욱인상적인것이된다. 따라서나는고전열역학에깊은감명을받았다 공업열역학 (engineering thermodynamics)? 공학적문제를해결하기위한열역학의응용 Energy? 물체나계 (system) 가가지고있는일을할수있는능력 Entropy??? 2
1.1 열역학의사용 Need?? Analysis Design - The Principle of Thermodynamics - Fluid Dynamics - Heat & Mass Transfer 3
1.2 시스템 (system) 의정의 시스템 ; 연구대상. 즉, 해석을하고자하는물체. 단순물체 or 복잡한물체 밀폐시스템 (closed system); 검사질량 (control mass). 항상일정한, 동일한물질로이루어진연구대상 -> 물질유출입 (X), 열 & 일유출입 (O) 고립시스템 (isolated system); 물질및열 & 일의유출입이없는시스템 개방시스템 (open system); 검사체적 (control volume). 물질및열 & 일의유출입이모두가능한시스템 Q W Q 4
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검사체적 (control volume); 연구대상 ( 물질 ) 을포함하고있는체적 -> 검사면 (control surface), 경계 (boundary) 주위 (surroundings); 경계면밖에있는모든것 surroundings control volume 6
1.3 시스템과시스템거동묘사 열역학의거시적 (macroscopic) 관점과미시적 (microscopic) 관점 - 거시적 ; 총체적이고종합적인거동과관련 (classical thermodynamics 관점 ). 따라서분자, 원자수준의물질구조모델직접적으로사용하지않음 - 미시적 ; 통계열역학적 (statistical thermodynamics) 접근방법. 물질의구조와직접적으로관련되어있음. 원자, 분자입자의평균적거동을통계적방법으로처리. 12 C( 탄소 12) 의 12g 중에포함되는원자의수 (Avogadro s number, 6.02 10 23 ) 를 1mol 이라고함. 1mol 6.02x10 23 atoms Avogadro s number 3- coordinates 3-velocity components Classical Thermodynamics -> continuum -> P, T Statistical Thermodynamics -> 6x6.02x10 23 equations -> statistics, probility 7
열역학적상태량 (thermodynamic property); 온도, 압력, 엔탈피, 체적등과같이시스템의열역학적특성을정의하며시스템의질량, 에너지와관계가있음 상태 (state); 상태량에의해기술되는공간적으로균일한다량의물질로이루어짐. - solid, liquid, gas(vapor) [Plasma] water(liquid) water(vapor) P, T 과정 (process); 한상태 ( 량 ) 에서다른상태 ( 량 ) 로의변화, 상태변화의연속적인경로 정상상태 (steady state); 상태량이시간에따라서변하지않는상태 8
종량성상태량 (extensive property); 시스템의값이분활된부분의값을합한값과같은경우로시스템크기, 규모에의존. 질량, 체적, 에너지등이해당됨. 오직시간의함수. 강도성상태량 (intensive property); 시스템의값이분활된부분의값과같은경우로시스템의크기, 규모와무관. 압력, 온도, 비체적등이해당됨. 시간, 공간의함수 풍선을반으로잘라둘로만들었을온도, 압력, 체적의변화가있을까? Temperature??? Volume??? Pressure??? 9
종량성상태량은언제나변함없이종량성상태량으로만존재할까? 종량성상태량을강도성상태량으로바꿀수는없는것일까?? V A =2/3 V V B =1/3 V total volume total mass m A =2/3 m A B m B =2/3 m v=v A =v B specific volume-> intensive property V, m 10
평형 (equilibrium); 변화가일어나지않는상태 열역학적평형 (thermodynamic equilibrium); - 역학적평형 (mechanical equilibrium) - 열적평형 (thermal equilibrium) - 상평형 (phase equilibrium) - 화학적평형 (chemical equilibrium) Danish Girl initial equilibrium final equilibrium 11
화학적평형 (chemical equilibrium) 2NH 3 N 2 +3H 2 2NH 3 ammonia N 2 +3H 2 2NH 3 N 2 +3H 2 12
열적평형 (thermal equilibrium) 13
상평형 (phase equilibrium) 14
1.4 질량, 길이, 시간과힘의측정 주차원 (primary dimensions); 일반역학 -> 질량 (mass), 길이 (length), 시간 (time), 열역학 -> 온도 (temperature), 전류 (ampere) SI 단위 (SI Units) 속도 (velocity) ~> 부차원 (secondary dimensions) 기본단위 temperature Kelvin K 15
1.5 비체적 (specific volume) 측정가능한중요 3 개강도성상태량 ; 비체적, 온도, 압력 V ' (m/v) 의값이존재하는가장작은부피 연속체 (continuum) 밀도 (density) m lim( ) V (kg/m 3 ) (1.6) V V' 16
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m dm dm dm dm dv dv dv dv dv 1 2 11 12 1 1 2 2 11 11 12 12 V n m dv dv dv dv dv dv 1 1 2 2 11 11 12 12 i 1 i i V dm dv 1 1 1 m V 1 1 dv 1 2 2 dv 2 7 6 5 8 11 12 9 10 V dv box box box box V V 1 2 11 12 V dv dv dv dv dv 1 2 11 12 3 4 m dv (1.7) V 몰 (mole) n m M M: 분자량 (kg/kmol) (1.8) 비체적 (specific volume) v 1 (m 3 /kg) v Mv (m 3 /kmol) (1.9) 18
1.6 압력 (pressure) Area, A left-side fluid particle F normal F normal right-side fluid particle Area, A left-side fluid particle F normal upper-side fluid particle F normal F normal 압력 (pressure) right-side fluid particle P Fnormal lim( ) A (1.10) A A' Area, A lower-side fluid particle F normal 19
압력측정 (pressure measurement) air water water water water P 2 P a = P b P a P b P 1 water 20
압력측정 (pressure measurement) Area, A P a P b P P gl (1.11) atm kg m m kg kg m N gl m s 1 ms m s m 3 2 2 2 2 2 21
Torricelli's experiment P a P b P P gl (1.12) atm vapor m neglect because P atm > P vapor 750mm P atm gl m 13.59g/cm 3 22
압력단위 (pressure units) 1 pascal= 1 Pa = 1 N/m 2 1 bar = 10 5 Pa = 0.1 MPa 1 atm = 101,325 Pa = 760mmHg ~1 bar pressure transducer 23
system pressure > P atm system pressure < P atm P gage = P absolute P atm P vacuum = P atm P absolute (1.14) (1.15) atmospheric pressure system pressure 24
gauge pressure 120~80 25
1.7 온도 (temperature) 열적평형상태를판단할수있는물리적상태량 hot? warm? cool? (O) What temperasture?(x) 온도는익숙한상태량이지만정확히정의하기어려움. 온도가서로다른블록을오랜시간접촉시킨후온도변화가더이상의일어나지않을때두블록의온도는같고열적평형 (thermal equilibrium) 상태에있음. Hot Cold T HOT = T COLD 26
열역학 0 법칙 (Zeroth law ): 1931. Ralph. H. Fowler(1889.01.17~1944.07.28) 두물체의온도가제 3 의물체의온도와각각같으면두물체의온도는같음 T A = T thermometer, T B = T thermometer, T A = T B = A = B C C 27
온도계 (thermometer): 온도측정물질을사용하여물체의온도를측정하는장치 온도측정상태량 (thermometric property); 물체의온도변화를측정할수있는상태량 온도측정물질 (thermometric substance); 온도측정상태량의변화를보이는특정한물질 길이, 압력, 체적 thermometric property radiation thermometers or optical pyrometers thermometric substance (alcohol) 28
emf(electro-motive force) junction thermocouples copper-constantan, T-type chromel-alumel, K-type iron-constantan, J-type thermister (semiconductor) constantan=copper(54%) + nickel(45%) + manganese(1%) chromel=nickel + chrome(20%) alumel=nickel + aluminum(3.5%) + iron(0.5%) 29
(pt100ω) 30
온도척도 ( 눈금 )(Temperature Scale) Celsius 척도 Fahrenheit 척도 온도측정물질 31
온도측정 (Temperature Measuring) 1 1 1 105 water 물질 A 물질 B 물질 C 저온용상온용고온용 -20 열팽창계수, α 열팽창계수, β 열팽창계수, γ 32
열역학적온도척도 (thermodynamic temperature scale): 특정한물질의상태량이나물질의종류에의존하지않고온도값을지정할수있는온도척도 Kevin 온도척도 (kevin temperature scale) 1967: K->K 33
1.8 공학설계와해석 (engineering design and analysis) 공학설계 (engineering design) 공학, 경제학, 통계학과같은다른분야의학문으로부터얻어진원리를시스템, 시스템요소, 공정을개발하기위하여반복적으로적용하는의사결정과정 Establishment of objectives, synthesis, analysis, construction, testing, and evaluation 원리 (principle) 시스템 (system) 시스템요소 (component) engineering economics statistics 공정 (process) 34
해석 (analysis) 1. the conservation of mass principle 2. the conservation of energy principle 3. the second law of thermodynamics Newton s second law of motion Fourier s conduction model point mass frictionless pulley rigid beam engineering model - simplified representation - idealizations - assumptions 35