[열역학] 2. 기본개념 ( Process & Cycle, Steady State Process, P, T )

오늘은 지난 시간에 이어서 열역학의 기초 개념에 대해 적어보도록 하겠습니다. 

 

Processes & Cycles

Process는 어떠한 평형을 이루는 시스템이 다른 상태로 변환하는 과정으로 열역학에서 부르고 있습니다. 

• Isothermal Process : 과정이 진행되는 동안 등온의 상태로 진행되는 과정 (등온)
• Isobaric Process : 과정이 진행되는 동안 압력이 일정한 상태로 진행 (등압)
• Isochoric ( or isometric ) Process : 비체적이 일정한 상태로 진행되는 과정 

Path는 일련의 상태들을 말하는데 시스템이 과정 동안 진행하는 길에서 나타나는 상태라고 생각하시면 되겠습니다.

Process에 대해서 완벽한 표현을 위해서는 초기 (initial) 상태와 마지막 (final) 상태에 대해서 구체적으로 나타나야 하며 또한 그 Process에 나타나는 Path 및 외부환경과의 Interaction 또한 마찬가지로 표현이 되어야 현재 Process가 어떠한 과정을 진행하고 앞으로 어떻게 종료가 될 것인지를 알 수 있습니다. 

* 여기서 만약 초기 상태와 마지막 상태가 동일하다면 우리는 이 과정을 Cycle이라고 부르게 됩니다. 

Process Diagram : 열역학 특성에 대해서의 과정을 나타냅니다. 

열역학에서는 에너지 교환과 관련되어 간단하게 설명하는 과목입니다. 때문에 열과 일을 동반한 모든 과정에 대해서 다음과 같이 정의하여 분석을 합니다.

- Quasistatic or Quasi-equilibrium Process 

직역하면 준정적 과정 또는 준정적 평형이라고 하며 열역학의 과정이 진행될때 우리가 과정에 대한 에너지 계산을 위해서 모든 과정이 아주 느리게 간다고 가정하여 평형의 상태라고 판단하게 하여 분석하게 됩니다. 

상단의 과정은 매우 느린 압축과정 즉 Quasi Equilibrium상태에서 진행되는 과정이라고 생각하여 열역학에서의 분석을 우리가 수행할 수 있으며 하단의 과정 같은 경우 매우 빠른 압축이 일어나는 과정이므로 NonQuasi-equilibrium이라고 부르게 됩니다.

- 

---

우리가 수학 문제를 풀면서 그래프를 그려서 어떤 공간적인 의미를 파악하는것과 동일하게 열역학에서는 과정에 대해서 시각적으로 표현한 방법이 있습니다. 바로 Process Diagram인데 Process Diagram은 Process를 열역학적 Property를 이용하여 과정의 상태들을 그래프로 표현한 그림입니다. 
( 온도, 압력, 체적 등을 축의 성분으로 지정하여 많이 사용합니다. ) 

---

The Steady-Flow Process

: Steady ( No change with time ) <-> Unsteady, Transient

매우 중요한 과정중에 하나입니다. 지구에서 열역학에 기반해서 작동하는 수많은 기계들은 오랜 시간 작동을 합니다. 예를 들어서 거대한 플랜트 같은 경우도 오랜 시간 지속해서 작동되죠. 때문에 과학자들은 이러한 기계들에 한정해서 Steady-Flow devices라고 칭합니다. 

Steady-Flow devices = devices operate for long periods of time under the same conditions

Ex ) turbines, pumps, boilers, condensers, and heat exchangers or power plants or refrigeration systems.

---

Temperature 

온도는 열의 정도를 표현하기 위해서 창조된 단위입니다. 열역학은 열을 다루기 때문에 온도는 반드시 동반되어야 하는 개념으로써 측정을 위해서 섭씨와 화씨를 주로 사용합니다. 

하단은 섭씨와 화씨 그리고 란씨 단위의 변환 식입니다. 

 

Pressure 

압력은 Fluid에 의해서 unit area 당 수직(Normal)한 방향으로 작용되는 힘입니다. 

압력에 사용되는 단위는 대기압에서 사용하는 atm부터 시작해서 bars까지 다양한 단위가 존재하는데 주로
파스칼을 주로 사용하며 1Pa =1N/\(m^2\) 로 됩니다. 

 

• Absolute Pressure (절대압력) : 주어진 위치에서의 실제 압력을 가리키며 절대 진공 (0 압력)과 비교하여 수치적으로 나타낸 수치입니다. ( Absolute Zero Pressure = Absolute vacuum ) 
• Gage Pressure : 절대 압력과 지역적인 대기 압력과의 차이를 나타낸 압력 수치입니다. 
  대부분의 압력 측정 장치가 Gage Pressure를 이용하여 표현됩니다. 
• Vacuum Pressure : 대기 압력 이하의 압력 영역을 말합니다. 

압력의 변화는 다음과 같이 표현됩니다.
밀도 x 중력 x 높이변화 = 비중 X 높이 변화 

그리고 우리가 사는 세상은 기본적으로 공기로 덮여있기 때문에 대기압을 고려하여 압력이 측정되어야 합니다.
( 여기서 gage는 압력 측정 도구를 통해서 얻은 수치입니다. ) 

 

압력에는 대표적인 법칙이 하나 있습니다. 

* Pascal's Law : 밀폐된 용기에 담긴 비압축성 유체에 가해진 압력은 유체의 모든 지점에 같은 크기로 ”전달”된다는 원리

압력은 단위 면적당 받는 힘으로 정의됩니다. A1이 작은 면적이고 A2가 큰 면적을 의미할 때 최종적으로 F2/F1은 면적의 비율과 동일하며 이 비율을 이상적인 힘의 이득(Ideal Mechanical advantage)이라고 부릅니다. 

이러한 현상을 이용하여 적은 힘으로 자동차를 리프팅시키는 유압식 리프트 장치에도 사용되며 자동차의 유압 브레이크나 치약의 현상에서도 파스칼의 법칙이 적용되고 있습니다. 

---

Pressure Measurement Devices (압력 측정 도구)

압력을 측정하기 위해서 대표적으로 2가지의 측정 장비가 있습니다.

• The Barometer (기압계) : 기압계는 대기의 압력을 측정하기 위해서 사용되며 대기의 압력이 곧 Barometric Pressure라고도 부르게 됩니다. ( Standard atmosphere ) 
  
  Standard Pressure : Mercury (수은) 차 있는 용기에 760mm 높이로 0도에 있을 때의 압력을 말합니다.
  수은의 밀도 : 13.595kg/\(m^3\)   중력 : 9.807 m/\(s^2\)

 

• The Manometer ( 액 주형 압력계 ) : 마노미터는 보통 작고 적당한 압력 차이를 측정할 때 사용됩니다. 마노미터는 한 가지 또는 2가지 이상의 유체가 들어있으며 예로는 수은, 물, 알코올, 기름이 있습니다. 
  
  

• Bourdon Tube : 철로 만들어졌으며 속이 빈 관 (Tube)으로 구성되어 갈고리(hook)와 같이 생긴 측정 장비입니다.
• Pressure Transducers : 다양한 기술을 사용하여 압력을 전기적 신호 (전압, 저항, 전류 용량) 등으로 표현하는 장비입니다. 특징으로는 매우 작고 빠르며 민감하며 믿을 수 있는 정확도를 가졌습니다.
• Strain-gage Pressure Transducers : 대표적인 센서로써 diaphragm이 2개의 chamber 변화를 통해서 Pressure 변화를 보여주는 장비입니다.
• Piezoelectric Transducers : Solid-state Pressure Transducers라고 부르며 전지적 포텐셜 에너지 생성 원리에 기초하여 기계적 압력이 주어졌을 때 생성 에너지의 생성 정도를 통하여 압력을 측정하게 됩니다. 

---

이번 글에서는 열역학의 기초 개념들에 대해서 마무리를 해보았으며 다음 시간에는 에너지의 Transfer(전달) 과정과
전반적인 에너지 분석에 대해서 적어보겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다. 피드백은 항상 환영합니다!!!

---