[열역학] 4. Energy Transfer & General Energy Analysis

이번 시간은 에너지에 대한 전반적인 이야기를 다루도록 하겠습니다. 

Energy는 어떤 변화를 일으킬 수 있는 능력이었습니다. 우리뿐만 아니라 우주의 모든 생명체나 움직이는 또는 빛을 발산하는 물체들에는 에너지가 포함돼있는데요. 사람이 창조한 공업용 기계에서 시작해서 롤러코스터 및 다양한 기계에서 에너지를 활용해서 생산적인 일들을 수행합니다. 열역학은 기본적으로 에너지의 변화를 다루는 학문이라서 때문에 매우 중요한 계산 단위로 활용됩니다.

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Forms of Energy

에너지는 다양한 형태로 존재합니다.
Ex ) 열(Thermal), 기계적(Mechanical), 운동(Kinetic), 위치(Potential), 전기 (Electric), 자기(Magnetic),
      화학(Chemical), 핵 (Nuclear)

• Macroscopic forms of Energy : 거시적 형태의 에너지라고 말하며 외부 기준 환경에 대해서 얼마나 운동, 위치 에너지 등이 있는지 전체적인 관점에서 바라보는 에너지입니다.
• Microscopic forms of Energy :  미시적 형태의 에너지라고 말하며 분자의 활동 정도에 따른 에너지를 말합니다.
• Internal Energy, U : 미시적 형태의 에너지의 총량입니다. 다른 에너지와 다르게 종류가 많습니다.
  
  1. Sensible Energy : 분자의 운동 에너지와 관련된 내부 에너지 ( 헌열 )
  2. Latent Energy : 시스템의 상과 관련된 에너지 입니다. ( 잠열 )
  3. Chemical Energy : 분자의 원자 결합과 관련된 내부 에너지입니다.
  4. Nuclear Energy : 핵과 관련된 강력한 결합과 관련된 에너지입니다. 
  
  * Thermal = Sensible + Latent ( 2개를 합쳐서 열에너지라고 칭함 )
  * Internal = Sensible + Latent + Chemical + Nuclear ( 총 4가지를 합쳐서 내부 에너지라고 칭함 )
  
  
• Kinetic Energy, KE : 운동 에너지라고 말하며 기준점에 대해서 상대적으로 얼마나 움직임(Motion)이 있는가에 따른 에너지를 말합니다.

운동에너지 ( 좌측은 단위 질량당 운동에너지 )

 

• Potential Energy, PE : 위치, 잠재적 에너지라고 말하며 중력에 의해서 시스템의 높이에 따른 에너지를 말합니다. 

그리고 이 모든 에너지의 총량을 Total Energy, E of a system이라고 말합니다.

Total energy of a system

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Energy in Flow 

공업용 기계에서는 관에 유체가 흐릅니다. 유체는 가스부터 시작하여 액체까지 다양하게 통칭하여 말하는데요. 여기서 유체가 가진 순수한 에너지 즉 에너지 유량에 대해서 설명하겠습니다.

• Mass Flow Rate ( 질량 유량 ) : 단위 시간당 질량의 유동을 말합니다. (kg/hr)
  * 체적 유량 (Volume Flow Rate) : 단위 시간당 유체의 체적 유동을 말합니다. (\(m^3\)/hr) 

질량 유량 = 밀도 x 체적유량 = 밀도 x 관 면적 x 평균 유량 속도

• Energy Flow Rate ( 에너지 유량 )

해당 식을 통해서 흐르는 유체의 에너지를 계산할 수 있습니다. 

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Forms of Energy - Mechanical Energy

기계적 에너지는 말 그대로 기계적인 일을 수행할 수 있는 에너지입니다. ideal mechanical device를 통해서 사용되는 에너지입니다. 

공업 분야에서 사용되는 기계들에 대해서 에너지를 계산하기 위해서 열역학에서는 대표적으로 위치, 운동, 유동 3개를 이용하여 산출합니다. 

Rate of mechanical energy of a flowing fluid

해당 식은 기계적 에너지를 표현한 식으로 흐르는 유체의 운동 및 위치 에너지까지 고려한 식이 되겠습니다. 
하지만 에너지는 시간에 따른 양의 변화도 있을 수 있는데 하단의 식이 바로 특정 시간에 대한 에너지 변화 식입니다.
*조건은 비압축 유체에 대해서만 해당 식을 사용 가능합니다. 

 

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Energy Transfer

에너지가 전달되기 위해서는 Work (일) 또는 Heat (열)이 동반되어야 합니다. 
이번에는 각각의 개념들과 관련 공식들에 대해서 다뤄보겠습니다.

Energy Transfer by Heat

여기서는 시스템 간에 열에 의한 에너지 전달을 설명하도록 하겠습니다.

열에 의해서 에너지가 전달되기 위해서는 우선 조건이 필요합니다. 얼음이 주변의 열을 흡수하여 녹아버리는 현상과 같이 반드시 2개의 시스템에서 온도차가 존재해야 합니다. 

Heat는 Q라고 표현합니다. 

단위 질량당 열 전달 

 

 

Energy Transfer by Work

이번에는 Work에 의한 에너지 전달입니다.
일(Work)이 발생하기 위해서는 힘과 거리가 필요합니다.
(구체적인 일에 대한 설명은 다음 시간에 이어가도록 하겠습니다! )

Ex ) A Rotating Shaft (샤프트 운동), Electric Wire crossing the system boundaries, A Rising Piston ( 피스톤 운동 ) 

* 여기서 부호를 조심하셔야 합니다. 방향에 따라서 계산식에서 부호가 달라지게 됩니다. 

- 열 유동이 시스템으로 향하며 유입된 열로 인한 일은 양수.
- 시스템에서 열 유출이 일어나며 시스템이 일을 수행한 경우 음수

 

다음 글에서는 Heat와 Work 비교, 구체적인 기계적 일에 대한 설명과 열역학 제1법칙에 대해서 다뤄보겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다. 피드백은 항상 환영합니다!!