[열역학 5] 열역학 법칙과 카르노기관

1.열역학 제 1법칙의 태동

 

 

과거에는 열을 '열소'라는 작은 알갱이로 생각하여 열소가 물체에 들어오면 물체는 뜨거워지고, 반대로 열소가 

 

물체에서 나가면 물체는 뜨거워 진다고 믿었다. 하지만 이러한 열소설로는 두 물체를 마찰시켰을 때 물체가 

 

뜨거워지는  현상을 설명하지 못한다는 것을 인지하였다. 그러다 1842년 영국의 James Prescott Joule이 

 

간단한 실험을 통해서 "열도 에너지"라고 주장하였다. 그의 실험은 다음과 같다

 

 

  에너지의 단위 : J(줄) , 1J = 1N x 1m = 4.1846cal , 1kcal = 427 kgf*m 에서

 

열의 일당량 A = 427 [kgf*m/kcal] = 4.186[kJ/kcal]

 

일의 열당량 J = (1/427)[kcal/kgf*m] = (1/4.186)[kcal/kJ]

 

[열과 일은 에너지의 한 형태로써 서로 수량적인 관계를 갖는다]

 

 

 

 

2.열역학 제 2법칙

 

 

  2.1.열역학 제 2법칙의 표현

 

    1)켈빈-프랑크의 표현 : 자연계에 아무런 흔적도 남기지 않고 공급된 열을 전부 일로 변환시키는 기계는 없다

 

    2)클라우지우스의 표현 : 자연계에 아무런 흔적도 남기지 않고 저열원에서 고열원으로 열을 이동시키는 기관을

 

                                    만드는 것은 불가능하다.

 

    3)열역학 제 1법칙은 열과 일이 동등한 에너지임을 수량적으로 밝힌 법칙임에 반해 열역학 제 2법칙은 

 

      에너지 흐름의 방향성을 제시하는 법칙이다. 즉 일은 열로 쉽게 전환이 되지만 열은 반드시 열기관을 

 

      통해서만 일로 전환 될 수 있으며, 이때 반드시 손실이 수반된다.

 

 

 

  2.2.열기관과 열효율

 

    1)열기관 : 고열원에서 열을 공급받아 저열원으로 일부를 방출시키면서 그 차이에 해당하는 일을 수행하는 기관

 

    2)열기관의 열효율 η : 절대일량 / 공급열량 = (공급열량 - 방출열량) / 공급열량 = 1 - (방출열량/공급열량) 

 

   

 

<열효율의 향상방법과 그 한계>

 

1.공급열량(Q1)을 높인다 => 내열재료의 부재로 제한적이다

 

2.방출열량(Q2)를 낮춘다 => Q2는 반드시 0보다 크므로 제한적이다

 

결론 : 열효율을 절대로 1이 될수 없고 그보다 작은 값을 가진다

 

 

 

 

  2.3.카르노사이클 (이상적인 열기관의 사이클)

 

    1)두개의 등온과정과 두개의 단열과정으로 이루어진다

 

    2)등온압축 => 단열압축 => 등온팽창 => 단열팽창 => 등온압축 ....

 

    3)카르노기관의 열효율 η : W/Q1 = (T1-T2)/T1 = 1 - (T2/T1)

 

  

 

  2.4.엔트로피의 정의

 

    1) 1865년 클라우지우스에의해 수학적의로 정의되어 "엔트로피"라고 명명되었다

    2) 클라우지우스의 엔트로피는 그값의로 정의되지 않고 그 변화량으로 정의된다

 

    3)절대온도 T인 계에 열량 Q가 흡수되면 그 계의 엔트로피는 ΔS = Q/T만큼 증가한다

 

    4)고립계의 비가역과정에서 엔트로피의 변화량 ΔS는 항상 0보다 크다

 

 

 

  2.5.절대온도(T) - 엔트로피(s)선도

 

 

 

 

 

 

  2.6.카르노사이클의 T-s선도

 

     

      1) 등온팽창 (1>2) : 온도는 일정하고 엔트로피는 증가한다

 

      2) 단열팽창 (2>3) : 온도는 감소하고 엔트로피는 일정하다

 

      3) 등온압축 (3>4) : 온도는 일정하고 엔트로피는 감소한다

 

      4) 단열압축 (4>1) : 온도는 증가하고 엔트로피는 일정하다

 

      5)면적 S(1-2-sh-sl) : 계가 수행한 총 팽창일

 

      6)면적 S(3-4-sl-sh) : 계가 받은 압축일

 

      7)면적 S(1-2-3-4-) : 계의 순수한 일량  (한 팽창일 - 받은 압축일)