자동차융합실험 Heat Engine Cycle을 이용한 기초실험 보고서

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자동차융합실험 Heat Engine Cycle을 이용한 기초실험 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

대하여 열과 일의 출입을 내부 에너지의 변화량과 함께 관찰하여 보자.
1→2 과정은 등온 팽창과정이다. 외부에서 열을 받고 일을 하지만 그 사이에서 온도는 변하지 않기 때문에 내부 에너지는 변화하지 않는다. 이 과정에 열역학 제 1 법칙을 적용하면 q-w=Δu에서 Δu는 0이기 때문에 q는 w와 같은 값이다. 받은 열량을 q, 한 일을 w라고 부호를 정하였으므로 q1-2 는 w1-2와 같다. w1-2 에서 한 일의 양은 1→2 과정에서 온도는 일정한 TH이므로
(공식1)
이다. 이 때 q값은 +이고 한 일 w도 + 즉, 열은 받았고 일은 했으며 내부 에너지는 변화하지 않았다.
2→3 과정은 열에너지의 출입이 없는 단열팽창 과정으로 여기에 에너지 보존 법칙을 적용하면 . 그런데 2→3 과정을 통해서 팽창하였으므로 한 일 w는 +이다. 그리고 높은 온도 TH에서 낮은 온도 TL로 바뀌었으므로 내부 에너지는 감소하였다.
(공식2)
결과적으로 한 일 만큼 내부 에너지는 감소하였다.
3 → 4 과정은 등온 수축과정이며, 등온이었으므로 내부 에너지의 변화는 없다. 이 과정에서 한 일의 양은
(공식3)
이며 외부로부터 일을 받은 일 w3-4 는 -값이다. 그런데 이므로 받은 열량은 시스템이 한 일의 양과 같으며 부호는 -이다. 시스템이 열을 외부로 방출한다는 뜻이다.
4→1 과정도 마찬가지로 해석할 수 있다. 외부와 단열 되었으므로 열 전달량 q는 없고, w의 부호는 -이다. 에너지는 증가하게 되고 그만큼 외부에서 일을 해주어야 한다.
한 사이클을 이루는 동안 받은 열량과 한 일의 비율이 열효율이다. 열기관이 한 사이클 동안 한 일의 양 Wnet은 외부에 해 준 일과 외부에서 받은 일의 차이에 해당한다. 이 값은 P-V 선도에 그려진 사이클이 이루는 면적과 같아진다. 제 1 법칙으로부터 Wnet = qH - qL 이 되며, 따라서 효율 η은
(공식4)
(공식5)
한편, 2→3과 4→1의 단열과정에서는의 관계가 성립한다.
이다. 따라서 (공식5)로 표시되었던 이상기체 카르노 사이클의 열효율은
(공식6)
로 표시할 수 있다. 이상기체를 이용한 카르노 기관의 효율은 시스템이 열을 주고받는 온도만의 함수로 결정된다.
3. 열기관 사이클의 A→B, B→C, C→D, D→A 각 과정의 유형을 구분하여 보자.
A→B 는 등온압축 과정이며 질량체에 의해 등압형태로 일을 받으며, 기체의 열은 저온수조로 방출된다.
B→C 는 등압팽창 과정이다. 공기챔버를 고온수조로 옮기면서 기체에 열에너지가 공급되고 기체의 팽창힘으로 피스톤을 밀어내는 일을 하게 된다.
C→D 는 등온팽창 과정이며 공기챔버를 고온 수조로 유지한 상태에서 질량체를 제거함으로써 이를 가능케 한다.
D→A 는 등압압축 과정으로 공기챔버를 저온수조로 옮기면서 기체의 열에너지가 방출되며 피스톤이 원래 자리로 돌아가게 된다. 기체가 축소하면서의 일은 B→C와 동일하다.
4. 서로 다른 두 온도 사이에서 작동하는 열기관의 이론적 최대 열효율을 계산하여라.
열효율은 온도만의 함수이고 오직 고열원의 온도와 저열원의 온도에 의존한다.
(℃)
(℃)
e(열효율)(%)
54.2
15.5
11.90%
-오차의 발생 원인
1. 실험 꽈정의 등온, 등압의 조건 불충분
2. 실험 과정에서 물의 단열 조건 불충분
3. 실험 계측기 자체의 오차
4. 계측 과정에서 실린더 높이 계측의 정확도 불출분
이러한 이유로 인해 실제 열효율은 위에서 구한 이론 열효율에 비해 낮을 것이다.
참고문헌
-내연기관공학/ Willard W. Pulkrabek/ 교보문고
-재료금속열역학/ Gaskell, David R/ 사이텍미디어
-공업열역학/ 김동진/ 문운당

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