[열역학] 1. 기본개념 ( 열역학 법칙, System & Control Volume )

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[열역학] 1. 기본개념 ( 열역학 법칙, System & Control Volume )

전공 관련 (Major)/열 역학 (Thermodynamics)

by I Got this memyself 2020. 12. 24. 00:54

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Thermodynamic = Therme(Heat) + Dynamics(Power)  Greek word

열역학은 기본적으로 에너지를 다루는 학문으로써 우리가 사는 세상의 모든 곳에 적용돼있을 정도로 매우 중요한 과목입니다. 열역학에 기반하여 만들어진 엔진은 화석연료로 얻은 열에너지를 이용하여 일 에너지를 만들어내는 기계로, 사이클(cycle)을 이루며 반복적으로 작동합니다. 최초의 엔진인 증기기관은 1차 산업혁명을 이끌며, 인류의 삶을 크게 바꿔 놓았습니다. 지금까지도 디젤엔진, 가스터빈, 스털링엔진 등 다양한 열기관들과, 열펌프와 냉동기계 등 열역학 사이클을 이용한 기계들이 우리 생활 속에서 널리 이용되고 있습니다. 

Thermodynamics & Energy

열역학은 에너지의 평형상태에 기반해서 다룹니다.

에너지변화를 일으킬수 있는 능력의 정도를 나타냅니다.
우리의 세상은 물리적이거나 간접적인 상호작용에서 에너지 교환이 일어나며
에너지는 다양한 형태로 변화하여 보입니다.

그러나 중요한 건 열역학에서의 가정은 에너지의 총량은 일정하다는 것입니다 - 에너지 보존 법칙 ( Conservation of energy principle )

여기서 열역학을 설명하는 중요한 2개의 법칙이 나오게 됩니다. ( 구체적인 수식은 다음에 다루도록 하겠습니다. )

- The first law of thermodynamics ( 열역학 제1법칙 )

제1법칙은 에너지가 보존 법칙입니다. 즉 열 교환이나 다양한 교류가 일어나도 에너지의 총량은 일정하다는 법칙으로 에너지를 열역학의 법칙 설명을 위한 단위로 취급하게 됩니다. 

- The second law of thermodynamics ( 열역학 제2법칙 )

제2법칙은 에너지에도 질 (Quality)가 있으며 또한 양(Quantity)이 있다는 걸 표현하는 법칙입니다. 또한 실제의 모든 과정들이 에너지의 질 (Quality of Energy)가 감소하는 방향으로 진행된다는 걸 나타냅니다.
제2법칙에서 엔트로피의 개념이 나옵니다. 

- The Zeroth law of thermodynamics (  열역학 제 0 법칙 )

2개의 물체가 만약 열적 평형상태 (Thermal Equilibrium)를 이루고 있으며 세번째 물체와도 열적 평형상태를 이룰때 전체 3개의 물체 모두 열적 평형상태에 존재한다는 법칙입니다. 


 

Systems & Control Volumes

열역학에서 자주 사용되는 개념들이 있습니다. 

  • System : 시스템은 물질이 있는 공간이며 우리가 알고 싶어 하는 공간을 지칭합니다.
  • Closed System : Control Mass라고도 표현하며 닫힌 계 즉 질량의 유동이 발생하지 않는 시스템을 말합니다.
    *Open System은 반대로 질량의 유동이 되는 시스템입니다. 

  • Surroundings : 시스템의 바깥 영역을 지칭합니다.
  • Boundary : 실제 또는 가상의 표면(surface)을 말하며 시스템과 외부에 대해 나누는 경계영역입니다. 
    해당 Boundary를 통해서 에너지가 이동하게 되며 경계는 고정되거나 움직일 수도 있습니다.

  • Open System : Control Volume이라고 부르는 공간입니다.
    즉 우리가 분석하기 위해 적절하게 선택된 시스템입니다.

Open System은 보통 Device를 동반하는 시스템으로서 질량 유동이 일어나는 시스템입니다.
예시로는 Compressor, Turbin, Nozzle 등이 해당됩니다.

* 질량 유동이 일어나기 때문에 Control Volume으로 설정한 영역의 Boundary에 에너지와 질량이 이동이 가능합니다.

  • Control Surface : Control Volume의 경계면으로써 실제 존재하거나 가상의 면으로 설정되는 영역입니다. 
    ( 우리가 계산을 어디까지 하는가에 따라서 경계면 설정의 영역도 다르게 됩니다. )

왼쪽은 질량 유동이 가능한 노즐 시스템이며 우측은 Boundary의 이동 및 고정 두개 모두 가능하다는 것을 보여주고 있습니다.

 

제일 중요한 개념은 Control Volume과 Control Surface이며 정리하면 우리가 계산 또는 알고자 하는 영역에 대해서 우리가 설정하는 영역이 되겠습니다. 영역 설정을 통해서 시스템의 에너지 유입 유출에 대한 기준점을 세우고 계산을 용이하도록 하는 목적을 지녔습니다. 

 


Properties of a System

Property는 시스템의 특성을 나타내는 단어입니다. 

열역학에서 시스템을 나타내는 중요 특성 5가지가 존재합니다. 
질량 (m), 부피 (V), 온도 (T), 압력 (P), 밀도 (\(\rho\))입니다. 

여기서 5가지의 특성은 위의 사진처럼 다음과 같이 분류가 됩니다.

  • Intensive Properties( 강성적 상태량 ) : 시스템의 질량과 독립적인 성질로 시스템의 질량이 변화해도 일정한 값을 가집니다.
    대표적으로 : T (온도), P (압력), \(\rho\) (밀도)가 있습니다.
  • Extensive Properites ( 종량적 상태량 ) : 시스템의 사이즈나 범위에 의해 영향을 받는 성질입니다.
    대표적으로 : M (질량), V (부피)가 있습니다. 

* 추가적으로 Specific Property가 존재합니다. Specific Propety는 특성을 질량으로 나눈 것으로 

예시로 왼쪽은 부피를 질량을 나누었습니다. 즉 비체적이라고 부르며 해당 비체적의 특성은 기존의 부피와는 다르게 시스템의 사이즈나 범위에 독립적인 성질로써 나타나기 때문에 흔히 열역학에서 많이 쓰게 됩니다. 


State & Equilibrium

열역학은 단순한 시스템을 취급하게 됩니다. 단순한 시스템이란 평형 상태(Equilibrium States)를 말하는데
평형은 에너지가 비균형적이지 않은 상태입니다. 열역학에서는 에너지를 다루기 때문에 기계적 에너지, 열 에너지 등 다양한 에너지에 대한 평형 상태가 존재합니다. 

  • Thermal Equilibrium : 전체 시스템의 온도가 동일한 상태입니다.

  • Mechanical Equilibrium : 시스템의 전 지역의 압력이 동일한 상태입니다. 
  • Phase Equilibrium : 시스템에서 2개의 상태가 존재할 때 각각의 상에 해당하는 질량이 평형에 도달한 상태입니다.
  • Chemical Equilibrium : 화학 합성물이 더 이상 시간에 의해 반응을 일으키지 않을 때의 상태입니다.

 

다음 포스트에서는 Cycle과 Steady State에 관해서 다뤄보겠습니다. 감사합니다!

참고자료 :

 

쉽게 알아보는 공학이야기 – 열역학 편 | 삼성디스플레이 뉴스룸

열역학(熱力學, Thermodynamics)은 열(heat)과 일(work)을 다루는 물리학의 분야로 공학 분야에서 많이 응용되고 있습니다. 인류문명은 불을 사용하면서 시작되었기 때문에, 열역학은 주로 열을 중심으

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