화공열역학 교재 : 화학공학열역학 Introduction to Chem. ng. Thermodynamics 7 th ed., J.M. Smith 외, McGraw-Hill
제 1 장서론 1.1 열역학의범위 * 열역학의역사와개념 - 19 세기에증기기관의운전을묘사하고그증기기관이이루어낼수있는일의한계를밝히기위한목적으로개발됨 - 열역학 = 열 (thermo) 에서생겨난동력 (dynamics) 을의미 - 엔진에대하여유효한것으로판단된원리들은열역학 1, 법칙으로일반화됨 - 열역학적법칙들은수학적으로입증된것이아니라경험적으로도출된것 역학, 전자기학과더불어자연법칙에기초함 - 열역학에서다루는내용들 : 물리적 / 화학적공정에필요한열과일의계산, 화학반응, 상들사이의화학성분전달에대한평형조건결정, * 열역학과열전달의차이 - 열전달 : 물리적공정의속도를중시함 구동력과저항을중시함 - 열역학 : 평형상태및구동력을중시 * 열역학적상관관계식 - 실험자료가없는경우에일반화된상관관계식을적용하여데이터가없는경우추정치를얻음
* 계의정의 - 계 (system): 고려의대상이되는특정한물체 ( 관심의대상이되는물체나물체의집합체 ) - 계의성질 : 측정가능한몇가지거시적성질들을활용하여정의가능 As T * View oints P at const V microscoic :molecule collision macroscoic :henomenological * Analysis system surroundings q q q q q 1 q q q 1 electric heater air conditioning
1. 차원과단위 * 차원 (dimension) - 기본차원 : 인간의지각을통하여인식되고더간단한것으로는정의될수없는근원적인것 예 : 길이, 시간, 온도, 물질의양, - 단위 (unit): 어떤차원에해당하는측정량의크기를표현할수있도록임의의척도로정의한것 - 국제단위계 (International System of Units: Systeme Internaional, SI): 기본단위들을국제적합의에의해정한것 - 다른단위계 : 영국공학단위등 1 ft = 0.048 m, 1 lbm = 0.45597 g, 1 lbmol = 45.597 mol
1. 양이나크기의단위 * 양이나크기의단위 - 일반적으로사용되는크기또는양의단위 : 질량 m, 몰수 n, 전체부피 V t - 질량과몰질량 ( 분자량 ) 의관계 : n = m/m - 비부피 (secific volume) 와몰부피 (molar volume) 의정의 : V = V t /m, V = V t /n - 고유밀도 (density) 또는몰밀도 (molar density): 각각비부피와몰부피의역수로정의됨 ϱ = V -1 * 세기열역학적변수 (intensive thermodynamic variable) - 비부피, 몰부피, 밀도, 몰밀도, 온도, 압력, 조성처럼계의크기에무관한양
1.4 힘 (force) * 힘 - 개념 : Newton 의운동의제 법칙에서도출되는개념질량과가속도의곱으로표시되는양 (F = ma) - 영국공학계에서힘의단위 : lbf 1 lbf 는 1 lbm 의질량을.174 ft/s 으로가속하는데필요한힘으로정의 (= 1 lbm 이받는중력의세기 ) - 무게 (weight): 물체에대한중력을적절히나타낸것
1.5 온도 (temerature) * 온도의측정및단위 - 온도계의원리 : 유체가가열될때팽창하는성질을활용한것 - 온도의단위 1.6 압력 (ressure) * 압력의정의및 SI 단위 - 개념 : 힘이가해지는표면의단위면적당수직방향으로의힘 단위 : Pa = N/m - 사하중계 (dead-weight gauge): 피스톤을상승시키는유압이추의무게와균형을맞을때압력을측정가능 - 유체칼럼의높이로표현한압력 :
1.6 압력 (ressure) * 압력의다른단위들 - 기압 (atm): 지구대기에의해해수면에가해지는근사평균압력 * 게이지압력과절대압력 - 게이지압력 (gauge ressure): 대상이되는압력과주위대기의압력사이의차이값 - 절대압력 (absolute ressure) = 게이지압력 + 대기압력
x 1. Piston- Cylinder assembly, diameter = 1cm, mass = 1.64 g, g = 9.8 m/sec, Barometric ressure =748 torr, Absolute ressure =? F = m g = 60.95 N Gauge ressure = F/A =76.77 N/cm Absolute ressure = 76.77 N/cm + 748 torr (0.01 N/cm / torr) =86.74 N/cm = 867.4 Pa x 1. Mercury manometer reading = 60.5 cm, g = 9.784 m/sec at 7 o C, ressure =? = 1.5 g/cm P = r g h = (1.5 g/cm ) (9.784 m/sec ) (60.5 cm) = 8,009 (g m) / (sec cm ) =8.009 N/ cm = 80.09 Pa = 0.8009 bar Unit Conversion : Aendix A Refer to Chemical ngineering Calculation Aly same numerator/denominator to convert the unit g g : 1 = 1 g / 1,000 g torr bar : 1 = 1 bar / 750.061 torr Comlicated systems for students in tests!!!
1.7 일 (wor) * 일의개념 - 정의 : 힘이어떤거리에걸쳐서작용한경우에일 W 가행해짐 적분 - 일의부호 : 계가외부에일을하면음 (-), 일을받으면양 (+) - 유한한크기의압축또는팽창과정중수행된일은적분을통해계산가능 - 일의단위 : [J] = [Nm], [lbf-ft]
1.8 에너지 (energy) * 에너지의개념 - 개념 : 물체가일을행할수있는용량 (energy: 희랍어로 in wor 에서유래 ) - 에너지의보존법칙 : 1850 년경에이미확립됨 (Galileo, Newton) - 뉴턴의운동제 법칙에서직접유도가능 * 운동에너지 (Kinetic nergy) - 질량 m 인물체가힘 F 의작용을받아미소시간 dt 동안거리 dl 을이동한경우수행된일은다음과같이표현가능 적분 운동에너지를정의가능 어떤물체를초기속도 u 1 에서최종속도 u 까지변속시킬때행해준일의양은운동에너지의변화량과같음
1.8 에너지 (energy) * 위치에너지 (Potential nergy) - 질량 m인물체가초기위치 z1에서최종위치 z로올려지는경우행해지는일 W는다음과같이계산됨 위치에너지를정의가능 어떤물체를초기위치 z 1 에서최종위치 z 까지변화시킬때행해준일의양은위치에너지의변화량과같음 - 다른형태의위치에너지 : 형태에따른위치에너지 ( 예 : 탄성에너지 ) * 에너지의보존 - 각종보존법칙 : 질량보존, 에너지보존, 운동량보존등 - 역학적에너지의보존 : 물체의위치에너지가감소한만큼운동에너지는증가한다
1.9 열 (heat) * 열 - 열소 (caloric): 근대까지열이에너지의한형태가아닌열소라는파괴되지않는유체로생각되었음 에너지보존법칙을마찰이없는역학적공정에만적용하였음 - 에너지의개념으로서의열과일 : Joule 에의해확립 (1850 년이후 ) - 열의개념 : 뜨거운물체에서찬물체로전달되는것 ( 구동력 : 온도차 ) - 에너지의저장 : 열의형태로전달된에너지는물체를구성하는원자및분자의운동에너지와위치에너지로저장됨 - 열의단위 : 1 cal = 4.184 J (1 g 의물을섭씨 1 도만큼가열하는데요구되는열 ) : 1 Btu = 1055.04 J = 5 cal (1 lbm 의물을 1 화씨온도만큼가열하는데요구되는열 ) - 동력 (ower): 1 W = 1 초당 1 J 의에너지속도
x1-4 m,500 g, g 9.8m/sec,frictionless z 100 d) e) 4 s 4 m 1 s total z 1 0 s 4 f) system elevator - ( 4- - ( -, 450, 000 J 0 10 m s, 450, 000 J energy 4 0 0 Δ) Δ) sring ( ( a) b) W c) 1 mu 4 1 s mgz mgz u 0) 0),450,000 J 44. 7 m/sec 45, 000 J z z z Fdz z mgdt,05.000 J 1 1 1,450,000 s 1 W
문제 1. log 10 풀이 ln P sat P sat / torr / Pa a A T b t / C c B / K C 두식의매개변수는어떻게연관되는가? sat sat ln ln10x log x P / Pa ln10x log P / Pa x 10 100 Pa = 750.061 torr ln 10 P sat 100Pa / PaX 750.061torr sat P 7.50061torr sat sat P ln P / Pa ln10x log10 7.50061torr sat ln10x log / log 7.50061 10 P torr 10 b ln10x a log10 7. 50061 t / C c B A T / K C A ln10x ( a log10 7.50061).06X ( a 0.8751).06a.0150 B b ln10. 06b C 7. 15 c