뜰 앞의 잣나무

제 1 장 냉동의 기초 열역학

Ⅰ. 온도 (Temperature)

   차갑고 뜨거운 정도(냉온의 정도)나 분자운동에너지의 세기를 수치로 나타낸 것

1. 온도의 분류
(1) 섭씨온도 (Centigrade Temperature, Celsius Temperature, ℃)
     표준 대기압 하에서 순수한 물의 어는 점(빙점)을 0 ℃, 끓는 점(비등점)을 100 ℃로 하고, 이것을 100등분하여 하나의 눈금을 1 ℃로 규정한 온도 : 1742년 스웨덴의 천문학자 안더스 셀시우스가 고안했고, 두 기준 온도 사이에 100개의 눈금이 있기 때문에 백분도 척도라고도 한다. 다음의 식 ℃ = 5/9(℉－32) 는 화씨온도를 섭씨온도로 환산하는 데 사용한다. 섭씨온도는 보통 미터법이 적용되는 곳과 과학분야 전반에서 주로 사용한다. (출처 : 브리태니커)
(2) 화씨온도 (Fahrenheit Temperature, ℉)
     표준 대기압하에서 순수한 물의 어는 점(빙점)을 32 ℉, 끓는 점(비등점)을 212 ℉로 하고, 이것을 180등분하여 하나의 눈금을 1 ℉로 규정한 온도 : 빛의 속도를 목성의 관측에서 세계 최초로 알아낸 것으로 유명한 덴마크의 천문학자인 뢰머(Roemer)는 18세기 초 유리관에 알코올을 넣은 온도계에 눈금을 매기는 것을 생각하였다. 뢰머는 그 당시 실험실에서 얻을 수 있는 가장 낮은 온도에 도달하기 위해 얼음, 물, 소금의 혼합물을 사용하여 그 때 얻어진 최저 온도를 0도로 정했다. 또 다른 기준은 물이 끓는점으로 정하여 그 온도를 60도로 나타냈다. 이 뢰머의 온도계는 네덜란드에서 기상 관측용 기구를 제조하고 있는 퐈렌하이트(Fahrenheit)의 관심을 끌게 되었다. 퐈렌하이트는 뢰머의 온도계를 개선하여 팽창하는 액체로 알코올 대신에 수은을 사용하였다. 수은을 사용하면 뢰머의 0도보다 훨씬 낮은 온도에서부터 물이 끓는점보다 훨씬 높은 온도까지 온도 측정의 범위를 확장시킬 수 있으며, 다른 액체와 비교할 때 더 균등하게 수축하고 팽창하게 된다. 그리하여 퐈렌하이트는 수은 온도계를 사용하여 좀 더 정확하게 눈금을 표시할 수있었고, 좀 더 미세한 구분을 할 수 있었다.
   퐈렌하이트는 영점을 뢰머의 온도계와 똑같이 정하고, 두번째 기준점은 기상 관측을 목적으로 인체의 정상 체온으로 하여 그 온도를 96도로 정하였다. 이 때 그는 물이 항상 똑같은 온도, 즉 그의 온도 눈금으로 32도에서 언다는 사실을 알게 되어, 32도를 새로운 기준점으로 그 온도계에 추가하였다.
   이 온도계는 1724년에 공식적으로 발표되어 영국, 네덜란드 등에서 사용하기 시작하였고 오늘날 영어권에서 주로 사용하게 되었다. 현재 사용하고 있는 화씨의 눈금은 원래의 것과 약간 다르다. 즉, 두 개의 기준점을 물이 어는점인 32 ℉와 물이 끓는점인212 ℉로 정했다. 이 온도 눈금에서 사람의 정상 체온은 98.6℉로 된다. 그러나 오늘날 과학적인 연구 분야에서는 섭씨 온도와 켈빈 온도를 사용하고 있다. 또한 현재 측정할 수 있는 온도의 범위는 화렌하이트 시대보다 훨씬 넓어지게 되었다. 즉, 10-6K에서 104K 정도의 온도에 이르기까지 다양한 방법으로 온도를 측정할 수 있게 되었다. (출처 : http://cafe.naver.com/kkd1044.cafe?iframe_url=/ArticleRead.nhn%3Farticleid=869)

섭씨온도와 화씨온도의 관계
℃ / 100 = (℉ - 32) / 180 => ℃ = 100 (℉ - 32) / 180 = 5 (℉ - 32) / 9
                                      ℉ = 180 * ℃ / 100 + 32 = 9 * ℃ / 5 + 32

(3) 절대온도 (Absolute Temperature, ˚K)
     분자운동이 정지하는 온도. 즉, 자연계에서 가장 낮은 온도(절대 0 ˚ = 0 ˚K)를 0으로 기준한 온도
     ① 캘빈온도 (섭씨온도에 대응하는 절대온도) : T (˚K) = ℃ + 273
     ② 랭킨온도 (화씨온도에 대응하는 절대온도) : ˚R = ℉ + 460
     ③ 캘빈온도와 랭킨온도와의 관계식              : ˚R = 1.8 * ˚K

(4) 각 온도의 환산 예


Ⅱ. 열, 비열, 열용량

1. 열 (Heat)
   물질의 분자운동에너지의 한 형태로서 열의 출입에 따라 온도 및 상태변화를 일으키게 되며 어떤 물질이 가지고 있는 열의 많고 적음을 나타낸 것을 열량이라고 한다.
(1) 열량의 표시
   ① 1 ㎈ : 표준 대기압하에서 순수한 물 1 g을 1 ℃ 올리는데 필요한 열량 (CGS 단위)
   ② 1 ㎉ : 표준 대기압하에서 순수한 물 1㎏을 1 ℃ 올리는데 필요한 열량 (MKS 단위)
   ③ 1 BTU : 표준 대기압하에서 순수한 물 1 lb를 1 ℉ 올리는데 필요한 열량 (FPS 단위)
   ④ 1 CHU : 표준 대기압하에서 순수한 물 1 lb를 1 ℃ 올리는데 필요한 열량
   ⑤ 1 Therm : 100,000 BTU

        1 ㎉ = 3.968 BTU = 2.205 CHU
        1 BTU = (1 / 3.968) ㎉ = 0.252 ㎉
        1 ㎉ = 4.2 KJ = 4,186 Joule
        1 Joule = (1 / 4.2) ㎈ = 0.24 ㎈



2. 비열 (Specific Heat)
(1) 정의
     어떤 물질 1㎏의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열량 (C : ㎉ / ㎏ ℃, BTU / lb ℉)
(2) 비열의 구분
   ① 정압비열 (Cp) : 압력을 일정하게 한 상태에서 측정한 비열. 즉 사용된 열량이 내부에너지의 증가뿐만 아니라 체적의 증가에도 기여한다. 따라서 같은 온도로 상승시킬 경우 정적비열보다 열량의 소모가 많다.
   ② 정적비열 (Cv) : 체적(부피)을 일정하게 한 상태에서 측정한 비열. 즉 체적의 변화가 없으므로 사용된 열량이 모두 내부에너지의 증가에만 기여한다. 따라서 같은 온도로 상승시킬 경우 정압비열보다 적은 열량으로 온도를 증가시킬 수 있다.
(3) 각 물질에 따른 비열 (정압비열)
   ① 물 = 1 ㎉ / ㎏ ℃
   ② 얼음 = 0.5 ㎉ / ㎏ ℃
   ③ 증기 = 0.441 ㎉ / ㎏ ℃
   ④ 공기 = 0.24 ㎉ / ㎏ ℃
(4) 비열비 (k)
   정압비열과 정적비열과의 비로서 Cp > Cv 이므로 항상 1보다 크다.
   즉, 비열비 (k) = Cp > Cv > 1 로 단위는 없다.

   각 냉매에 따른 비열비와 토출가스 온도
   NH3 (암모니아) : 1.313 (98℃), R-22 : 1.184 (55℃), R-12 : 1.136 (37.8℃)
   비열비가 큰 가스를 압축시 압축기 토출가스온도가 높으므로 압축기 실린더 상부에 워터자켓(Water Jacket)을 설치하여 수냉각시켜 압축기 토출가스 온도가 높아지지 않도록 한다.

3. 열용량 (Heat Content)
(1) 정의
   어떤 물질의 온도를 1℃ 변화시키는데 필요한 열량 (㎉ / ℃)
      열용량 = G * C = P * V * C (G : 무게(㎏), C : 비열(㎉ / ㎏ ℃), P : 비중(㎏ / ℓ), V : 체적(ℓ))

Ⅲ. 현열과 잠열

1. 현열, 감열 (顯熱, 感熱, Sensible Heat)
   물질의 상태 변화없이 온도변화에만 필요한 열
      Qs = G * C * Δt (Qs : 현열량(㎉), G : 중량(㎏), C : 비열(㎉ / ㎏ ℃), Δt : 온도차 (℃))

2. 잠열 (潛熱, Latent Heat)
   물질의 온도 변화없이 상태변화에만 필요한 열
      Q = G * γ (Q : 잠열량(㎉), G : 중량(㎏), γ : 고유잠열(㎉ / ㎏))

Ⅳ. 물질의 3태

1. 물질의 상태변화
   고체, 액체, 기체를 물질의 3태라 하며 얼음이 물이나 수증기로 되거나 또는 반대로 상태변화가 될 때에는 각각의 고유잠열이 필요하다.

(1) 융해잠열 : 고체에서 액체로 변하는데 필요한 열
(2) 응고잠열 : 액체에서 고체로 변하는데 필요한 열
(3) 증발잠열 : 액체에서 기체로 변하는데 필요한 열(기화잠열)
(4) 응축잠열 : 기체에서 액체로 변하는데 필요한 열(액화잠열)
(5) 승화잠열 : 고체에서 기체로, 기체에서 고체로 변하는데 필요한 열

   물의 응고잠열(얼음의 융해잠열) = 79.68 ㎉/㎏ (약 80 ㎉/㎏)
   물의 증발잠열(증기의 응축잠열) = 539 ㎉/㎏

2. 상태변화에 따른 열량의 변화


Ⅴ. 일반 증기의 성질

1. 포화온도와 포화압력
(1) 포화온도 : 어떤 압력하에서 액체가 증발하기 시작하는 온도
(2) 포화압력 : 포화온도에 대응하는, 액체가 증발하기 시작할 때의 압력

2. 포화액, 습포화증기, 건조포화증기
(1) 포화액 : 포화온도에 도달한 액. 열을 가하면 온도상승없이 증발하기 시작하는 액
(2) 습포화증기 : 포화액과 포화증기가 공존하는 상태. 냉각하면 포화액, 가열하면 건조포화증기가 됨(건조도(乾燥度)가 존재)
(3) 건조포화증기 : 습포화증기 상태에서 액이 모두 증발하여 완전한 증기 상태의 기체

3. 과냉각액, 과열증기
(1) 과냉각액
     포화온도에 도달하기 전의 액(증발하기 전의 액) : 과냉각도 = 포화온도 - 과냉각액의 온도
(2) 과열증기
     건조포화증기에 열을 가하여 압력 변화없이 포화온도 이상으로 상승한 증기 : 과열도 = 과열증기온도 - 포화온도


4. 임계점 (임계온도, 임계압력)
   포화액선과 건조포화증기선이 만나는 점으로 이 상태에서는 압력을 아무리 높여도 기체를 액체로 바꿀 수 없는 한계점을 임계점이라 하고, 이 때의 온도 및 압력을 임계온도, 임계압력이라고 한다.


(1) 습증기의 엔탈피 = 포화액의 엔탈피 + 증발잠열 * 건조도)
     i(x) = i₁ + γ * x = i₁+ (i₂ - i₁) * x
(2) 건조포화증기 엔탈피
     i₂ = i₁ + γ = i₁ + (i₂ - i₁)
(3) 과열증기 엔탈피
     i₃ = i₂ + c * Δt = i₁ + γ + c * Δt

   건조도 x = (i(x) - i₁) / (i₂ - i₁)

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