열역학 - 열역학 제 1법칙과 제 2법칙에 대하여

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본문내용

한다.
2-3 영구운동기계의 종류
1) 제1종 영구운동기계(perpetual motion of the first kind)；입력일(input work)보다 많은 양의 일을 하면서 사이클(cycle)로 작동되는 장치, 즉 제1법칙을 위반하는 장치를 말한다.
2) 제2종영구운동기계(perpetual motion of the second kind)；사이클을 이루면서 단일 열 저장소에 열을 받아 일(work)을 하는 기계를 말한다. 물론 이런 영구운동기계는 아직 제작되거나 관찰된바 없다.
3) 제3종영구운동기계(perpetual motion of the third kind)；한번의 운동이 시작되면 영구히 감소되지 않고 운동하는 장치를 말하며, 이 기계는 열역학제1법칙이나 제2법칙을 위반하지는 않으나 마찰(friction)이 완전히 제거 되어야하며, 이 장치 또한 아직 발견되지 않았다.
2-4 열기관과 열효율
(1) 열기관(heat engine)
① 열기관 : 열을 일로 변환시키는 원동기를 말한다.
② 열기관 사이클 : -V 선도에서 시계방향으로 사이클을 행하였을 때 1사이클마다 외부에 대한 일( )를 하기 때문에 작동유체가 1사이클을 하는 동안 열량을 받아서 를 방출하며, 인 열(열에너지)를 기계적에너지로 전환하기에 이것을 열기관 사이클(heat engine cycle)이라 한다.
(2) 열기관(heat engine)의 열효율 :
여기서
: 열공급에서 생기는 열상당량
: 열기관에서 공급열량
: 저열원 혹은 방출열량
2-5 카르노(Carnot)사이클 (열효율이 가장 좋은 사이클 But 이론상으로만 가능)
고열원과 저열원의 온도가 주어졌을 때 그 사이에서 작용하는 사이클은 여러 가지형이 고려될 수 있지만, 그중에 이론적으로 가장 높은 열효율을 나타내는 열기관의 이상적인 사이클(cycle)은 카르노사이클(Carnot cycle)이다. 2개의 등온변화와 2개의 가역단열변화로 구성되어 있으며, 역카르노사이클(reverse carnot cycle)은 냉동기이나 열펌프(heat pump)의 이상적인 사이클이 된다. 물론 카르노사이클은 열기관 사이클 중 이론적으로 효율이 가장 좋은 가상적인 사이클이지만, 우리가 만들 수 있는 열기관 중에 가장 효율이 좋은 기관(engine)인 것이다.
2-6 카르노사이클의 구성
임의의 작동유체를 이용하여 고열원과 저열원 사이에 작용하는 열기관의 이상적인 사이클인 카르노 사이클은 두개의 등온변화와 두개의 단열변화로 되어 있다. 우선, 열기관인 고열원의 온도를 , 저열원의 온도를 라고 하며, 이상기체 [kg]를 작동유체로 하여 피스톤(piston)이 있는 실린더(cylinder) 속에서 카르노 사이클을 이룬다면 다음과 같다.
① 과정1→2 : 등온팽창(reversible isothermal expansion)
② 과정2→3 : 단열팽창(reversible adiabatic expansion)
③ 과정3→4 : 등온압축(reversible isothermal compression)
④ 과정4→1 : 단열압축(reversible adiabatic compression)
2-7 카르노사이클의 열효율
카르노사이클의 열효율는 다음과 같다.
다음에는 이상기체(perfect gas)를 작동유체로 하는 카르노 사이클(carnot cycle)을 고려한다면 다음과 같이 정리를 할 수 있다.
① 등온팽창과정(1→2)사이의 공급열량 :
혹은
② 등온압축과정(3→4)사이의 방출열량 :
혹은
③ 단열팽창과정(2→3)에서와 관계
④ 단열압축과정(4→1)에서와 관계
또는
⑤ 카르노 사이클(carnot cycle)의 열효율 :
즉,
그러므로 이상기체를 작동유체로 한 카르노사이클의 열효율은 고열원과 저열원의 온도만에 의하여 결정되며, 고열원의 온도가 높고, 저열원의 온도가 낮은 쪽이 크게된다
2-8 가역변화에 대한 엔트로피의 증가 원리
카르노사이클(carnot cycle)에서 등온팽창과정과 같이 온도인 열원으로부터 온도인 유체에 열량를 가역적으로 공급하고, 유체가 상태 1에서 2까지 변화 하였다면 등온변화
이므로, 열원(熱源)의 엔트로피변화는
(엔트로피의 감소)
유체의 엔트로피 변화는
(엔트로피의 증가)
가 된다.
따라서 양측의 합을 구하면 다음과 같이 얻어진다.
즉, 가역등온변화에서는 열원과 유체의 엔트로피 증가 및 감소의 합은 불변이라고 할 수 있다.
또한 가역단열변화에서는
이므로
(constant)
이 되고, 엔트로피는 변화를 하지 않는다. 이들로부터 가역단열변화를 등엔트로피 변화(isentropic change)이라고 한다.
결국은 위에서 서술한 가열적인 등온변화와 단열변화를 조합시킨 가역변화으로부터 열원과 유체의 엔트로피에 대한 등감의 총합은 영(零)이 될 수가 있다.
2-9 비가역변화에대한 엔트로피의 증가 원리
온도가 인 열원으로부터, 이것보다도 저온도인 유체에 열전도, 열전달 혹은 열방사등의 전열에 따른 열량 가 흐르고 있을 경우에 이 과정은 비가역(irreversible)이다. 따라서 열원과 유체사이의 온도는 항상 의 관계이며
열원에 대한 엔트로피 감소는
유체에 대한 엔트로피 증가는
이므로, 에 의하여
가 되며, 공제한 엔트로피의 합은 증가를 하는 것으로 된다.
또한 물체의 일과 같은 마찰일에 의해서 일상당의 열량(혹은 )이 발생하여 이것이 물체에 주어지는 경우와 같은 과정도 비가역과정이다.
이때 물체의 열용량이 크고, 그 온도가 변화를 하지 않는 다면 물체의 엔트로피는
만큼 증가를 한다.
결국, 이와 같은 비가역변화가 발생할 때는 이 체계전체에 대한 에너지의 총량은 변함이 없지만 엔트로피의 총합은 항상 증가를 하게 된다.
자연계에서는 모든 현상이 항상 마찰(friction)이나 전열(heat transfer) 등의 이유로 비가역변화를 따르기 때문에 이 존재를 나타내는 열역학의 제2법칙을 양적으로 표현 할 때 엔트로피(entropy)의 개념이 필요하게 되며, 결국 과정의 비가역성을 나타내는 목적이 엔트로피이며, 비가역과정을 생길 때 마다 엔트로피는 증가 하므로 열역학 제2법칙을 엔트로피 증가의 법칙(law of increase of entropy)라고 한다.

키워드

일의 열당량,   열역학,   제 1법칙,   제 2법칙