[일반 물리] 내연기관 (내연기관의 역사, 종류, 종류별 특징, 효율, 구조, 열역학 법칙, 엔트로피)

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[일반 물리] 내연기관 (내연기관의 역사, 종류, 종류별 특징, 효율, 구조, 열역학 법칙, 엔트로피)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 내연기관이란?

2. 내연기관의 역사

3. 내연기관의 종류

4. 내연기관의 종류별 특징

5. 내연기관의 효율

6. 내연기관의 구조

7. 열역학 법칙

8. 엔트로피

본문내용

상태가 된다.
이와 같은 상태를 열역학 제 0 법칙이라 한다.
"어떤 계의 물체 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 C도 열평형상태에 있다."
이것은 온도의 존재를 주장하는 것과 같으며 모든 열역학 법칙의 기본이 된다.
이 법칙은 기본적으로 인지되었던 것이나 열역학 제1, 2법칙보다 늦게 포함되었기 때문에 0법칙이 되었다.
2. 열역학 제 1 법칙
열과 일은 에너지의 한 형태로 일은 열로 열은 일로 변환이 가능하다.
" 밀폐계가 임의의 사이클을 이룰 때 열전달의 총화는 이루어진 일의 총화와 같다."
열은 원자·분자의 역학적 에너지이므로 일종의 에너지이다. 이것을 열 에너지라고 한다.
일반적으로, 어떤 체계에 외부로부터 어떤 에너지가 가해지면 그만큼 체계의 에너지가 증가한다.
이와 같이, 물체에 열을 가하면 그 물체의 내부 에너지가 가해진 열 에너지만큼 증가한다. 또한 물체에 역학적인 일이 더해져도 역시 내부 에너지는 더해진 일의 양만큼 증가한다. 따라서 물체에 열과 일이 동시에 가해졌을 때 물체의 내부 에너지는 가해진 열과 일의 양만큼 증가한다. 이것을 열역학의 제1법칙이라고 한다.
3. 열역학 제 2 법칙
열역학 제 1 법칙은 에너지 변환의 양적 관계를 명시한 것에 비해 제2법칙은 실현 가능성을 밝혀 주는 법칙으로 일은 열로 전환이 쉬우나 열은 일로 전환이 되는데 제한이 따른다, 즉 비가역 과정을 의미한다.
열적으로 고립된 계의 총 엔트로피가 감소하지 않는다는 법칙이다. 열역학 2법칙을 통해 차가운 부분에 한 일이 없을 때, 열이 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 흐르지 않는 이유와 열원에서 열에너지가 모두 일로 전환될 때, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정은 존재하지 않는다는 점에 대해 설명할 수 있다. 또한 열역학 2법칙에 따르면 총 일의 생산에 있어, 열의 이동은 뜨거운 열원에서 차가운 열원으로 향한다. 따라서 영구 기관은 존재할 수 없다. 어떠한 과정에서 엔트로피 증가가 적다는 것은 그 과정의 에너지 효율이 좋다는 것을 뜻한다.
*제 2 종 영구기관
- 열역학 제2법칙을 위배하며 열원으로부터 받은 열량 전부를 일로 변환시키는 100% 효율을 가진 기관을 말함.
(1) 카르노 사이클 (Carnot cycle)
고.저 두 열원 사이에 작동하는 가역 사이클로 이론적으로 효율이 가장 좋으며 두 개의 등온 과정과 두개의 단열과정으로 이루어진다.
(2) 엔트로피 (entropy)
열에너지를 이용하여 기계적 일을 하는 과정으로 열의 이용가치를 나타내는 종량적 성질을 엔트로피라 한다.
4. 열역학 제 3 법칙
온도를 낮추는 것은 어렵고 완전히 절대 영도에 도달하는것은 불가능하다 즉 온도가 절대온도 0K에 접근하면 엔트로피도 0에 접근하게 되지만 T L 이 절대 영도가 될 수 없으므로 열기관의 효율은 100%가 될 수 없다.
8. 엔트로피
이론적으로는 물질계가 흡수하는 열량 dQ와 절대온도 T와의 비 dS=dQ/T로 정의한다. 여기서 dS는 물질계가 열을 흡수하는 동안의 엔트로피 변화량이다. 열기관의 효율을 이론적으로 계산하는 이상기관의 경우는 모든 과정이 가역과정이므로 엔트로피는 일정하게 유지된다. 일반적으로 현상이 비가역과정인 자연적 과정을 따르는 경우에는 이 양이 증가하고, 자연적 과정에 역행하는 경우에는 감소하는 성질이 있다. 그러므로 자연현상의 변화가 자연적 방향을 따라 발생하는가를 나타내는 척도이다.
열역학에서 중요한 제1법칙은 에너지보존의 법칙, 즉 우주에 존재하는 에너지 총량은 일정하며 절대 변하지 않는다는 것이다. 제2법칙은 대부분 자연현상의 변화는 어떤 일정한 방향으로만 진행한다. 즉, 이미 진행된 변화를 되돌릴 수 없다는 의미이다. 따라서 자연 물질계의 변화는 엔트로피의 총량은 증가하는 방향으로 진행한다. 이것을 엔트로피 증가의 법칙이라고 한다. 즉 가용할 수 있는 에너지는 일정한데 자연의 물질은 일정한 방향으로 만 움직이기 때문에 무용한 상태로 변화한 자연현상이나 물질의 변화는 다시 되돌릴 수 없다는 것이다. 즉 다시 가용할 수 있는 상태로 환원시킬 수 없는, 무용의 상태로 전환된 질량의 총량을 엔트로피고 한다.
예를 들면, 석유 또는 석탄 이용하여 에너지를 얻지만 석탄은 아황산가스, 이산화탄소 기화되어 버렸기 때문에 원래 가용 가능한 상태로 다시 되돌리지 못한다. 그 질량은 다른 상태로 변화되어도 사라지지 않지만, 이미 되돌릴 수 없는 상태로 전환된 것이다. 때때로 자연현상은 국부적으로 엔트로피가 감소하는 비자연적 변화를 따르는 것도 있지만, 그것에 관계되는 물질계 전체를 다루어 보면, 항상 엔트로피를 증가시키는 방향으로 현상이 변화한다. 즉 물질의 재활용을 위해서는 또다른 에너지를 소모해야 하기 때문에 전체적으로는 엔트로피가 상승하는 결과를 가져올 뿐이다. 이 이론은 자연현상이 일어나는 방향을 정하는 것으로서, 에너지보존법칙과 함께 열역학의 기본법칙으로서 중요하다.
엔트로피는 물질계의 열적 상태로부터 정해진 양으로서, 통계역학의 입장에서 보면 열역학적인 확률을 나타내는 양이다. 엔트로피 증가의 원리는 분자운동이 확률이 적은 질서 있는 상태로부터 확률이 큰 무질서한 상태로 이동해 가는 자연현상으로 해석한다. 예를 들면, 마찰에 의해 열이 발생하는 것은 역학적 운동(분자의 질서 있는 운동)이 열운동(무질서한 분자운동)으로 변하는 과정이다. 그 반대의 과정은 무질서에서 질서로 옮겨가는 과정이며, 이것은 자발적으로 일어나지 않는다. 일반적으로 열역학적 확률의 최대값은 온도가 균일한 열평형상태에 대응한다. 다른 에너지 출입이 없는 고립계인 경우에는 계 전체가 열평형에 도달하여 모든 열과정이 정지하는 상태이다.
산업화를 통한 기계화는 지구에 한정된 화석자원을 급속하게 고갈시켜 가고 있으며 점차 막대한 에너지를 소비하는 사회로 진화되어 가는 현상을 우려하는 목소리가 높아지고 있다. 현재처럼 엔트로피가 증가하게 되면 머지않은 장래에 석유, 석탄 등 전통적인 자원이 고갈될 것이며 이를 대체하는 에너지를 생산하는 일은 추가적인 생산 에너지를 필요로 하기 때문에 엔트로피의 증가는 한층 심화될 것이라고 경고한다.

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