2009년 10월 25일
제 1 편 냉동기계 (冷凍機械, Refrigerator)
Ⅵ. 열역학 법칙
1. 열역학 제 0 법칙 (열평형의 법칙)
온도가 다른 각각의 물체를 접촉시키면 열이 이동되어 두 물질의 온도가 같아져 열평형을 이루게 되며 이는 온도계 온도측정의 원리가 된다.
＜물체 A와 B가 열평형에 있고 B와 C가 열평형에 있으면 A와 C도 열평형에 있다＞라는 법칙이 성립된다. 이 법칙은 열역학의체계가 만들어진 후에 J.C. 맥스웰이 기본법칙의 하나로 정했기 때문에 열역학 제 0 법칙이라고 한다. 열역학 제 0 법칙에 의해경험적 온도를 생각할 수 있게 되어 온도계의 사용이 가능해졌다. 즉, 물체 B를 물체 A와 열평형 상태로 한 후에 물체 C와접촉시켰을 때 B에 어떤 변화도 인정되지 않는 경우 A와 C는 같은 온도에 있다고 한다. 이때 B는 온도계의 역할을 하게 되며,변화의 유무는 예를 들면 수은주의 높이로 측정한다(출처 : http://blog.naver.com/madame19.do?Redirect=Log&logNo=80001239789).
2. 열역학 제 1 법칙 (에너지 보존의 법칙)
일(W)과 열(Q)의 전환관계에서는 각각의 에너지 총량의 변화는 없다. 즉, 일과 열은 서로 일정한 전환관계가 성립된다. (Q <=> W)
(1) 일과 열의 환산관계
Q = A * W [Q : 열량 (㎉), W : 일량 (㎏ m), A : 일의 열당량 (427 ㎏ m / ㎉), J : 열의 일당량 {(1 / 427) ㎉ / ㎏ m}]
W = J * Q
(2) 엔탈피 (Enthalphy)
① 정의 : 어떤 물질 1㎏(단위중량)이 가지고 있는 열량의 총합 (전열량, 합열량, 총열량)
엔탈피 (i, h) = 내부에너지 + 외부에너지 i, h : 엔탈피 (㎉ / ㎏), u : 내부에너지 (㎉ / ㎏)
= u + A * P * v A : 일의 열당량 (㎉ / ㎏ m), P : 압력 (㎏ / ㎡)
= u + A * W v : 비체적 (㎥ / ㎏), W : 일량 (㎏ m)
② 모든 냉매의 0 ℃ 포화액의 엔탈피는 100 ㎉ / ㎏을 기준한다.
③ 0 ℃ 건조공기의 엔탈피는 0 ㎉ / ㎏을 기준한다.
④ 열의 출입이 없는 단열변화(단열팽창)에서는 엔탈피의 변화가 없다. 즉, 단열팽창 과정은 등엔탈피선을 따라 팽창한다.
(3) 제 1종 영구기관
일정량의 에너지로 영구히 일을 할 수 있는 기관으로 실제 존재하지 않는다.
＜물체를 어떤 정해진 상태에서 다른 정해진 상태로 옮기기 위해 외계에서 물체에 주어야 하는 열량(A)과 일(W)의 합(Q)은 어떠한 방법에 의해서도 일정하다＞ 즉, 상태 a에서 b로의 변화에 필요한 전체에너지는 최초의 상태 a, 최후의 상태 b만으로 정해지며, 그 과정과는 관계없다. 여기서 역학적에너지 · 전자기적에너지 · 화학적에너지 등을 총칭하여 일이라고 한다. 또 물체가 외계에 열이나 일을 주는 경우에는 그 양은 (－)값을 취하는 것으로 한다. 만약 제 1 법칙이 성립하지 않는다고 하면 a → b라는 상태변화와 그 역변화 b → a를 다른 과정에서 일으킴으로써 무(無)에서 에너지를 만들어낼 수 있다. 즉 무(無)에서 에너지를 만들어 내는 장치인 제1 종 영구기관이 가능해진다. 따라서 제 1 법칙을 ＜제 1 종 영구기관은 불가능하다＞라고 표현할 수 있다. 열역학 제 1 법칙은19세기 중엽에 B.T. 럼퍼드 · J.P. 줄 · J.R. 마이어 · H.L.F. 헬름홀츠에 의해 확립되었다(출처 : http://blog.naver.com/madame19.do?Redirect=Log&logNo=80001239789).
3. 열역학 제 2 법칙 (열이동, 열흐름의 법칙, 엔트로피 증가의 법칙)
(1) 열은 고온에서 저온으로 이동한다.
(2) 열역학 제 1법칙에는 일과 열은 서로 교환이 가능하다고 하였지만 실제 일이 열로의 교환시에는 100%교환이 가능하나, 열을 일로 교환하는데 있어서는 열손실이 발생하므로 100%교환이 불가능하다.
(3) 엔트로피 (Entropy)
① 정의 : 일정 온도하에서 어떤 물질 1㎏이 가지고 있는 열량(엔탈피)을 그 때의 절대온도로 나눈 것
ΔS = ΔQ / T (㎉ / ㎏ ˚K)
② 모든 냉매의 0 ℃ 포화액의 엔트로피는 1 ㎉ / ㎏ ˚K를 기준으로 한다.
③ 열의 출입이 없는 단열변화(단열압축)에서는 엔트로피의 변화가 없다. 즉, 단열압축과정은 등엔트로피선을 따라 압축한다.
(4) 제 2종 영구기관
열에너지의 전부를 일에너지로 100% 전환할 수 있는 기관으로 실제 존재하지 않는다.
역학에서 취급하는 운동은 모두 가역(可逆)인데, 가역(可逆)이란 어떤 운동이 가능하면 그것을 반대방향으로 진행시키는 운동도 가능한 것을 뜻한다. 그러나 아주 많은 입자로 구성된 거시적 물체에서는 변화가 일정한 방향으로만 진행되고, 그 역변화는 생기지 않는 경우가 많다. 운동은 마찰에 의해 감쇠되어 열이 발생하지만 그 역변화는 일어나지 않는다. 또한 잉크를 물 속에 떨어뜨리면 확산되지만 자연히 모이는 일은 없다. 이같은 변화를 비가역변화(非可逆變化)라고 한다. 열역학 제 2 법칙은 자연계에 생기는 열현상이 어떤 방향으로 진행하는가를 서술한 것이다. 서로 동등한 열역학 제 2 법칙에 대한 표현 방법이 몇 가지 있는데, 그 중 대표적인 2가지는 다음과 같다. 하나는 ＜열은 고온에서 저온으로 이동한다＞라는 표현이다. 즉 열의 이동은 비가역적이므로, 저온에서 고온의 물체로 열을 운반하면서 그 이외에는 어떤 변화도 남기지 않는 역과정은 불가능하다. 이것은 R.J.E. 클라우지우스의 표현이다. 또 하나는 켈빈(본명 W. 톰슨)의 표현으로, ＜일이 열이 되는 과정은 비가역적(非可逆的)이다＞라는 것이다. 따라서 그 역과정을 행하는 장치, 즉 열원에서 열을 받아 그것을 모두 일로 바꾸면서 그 이외에는 어떤 변화도 남기지 않고 원래상태로 되돌아 가는 장치인 제 2종 영구기관은 불가능하다. 제 2 종 영구기관이 열역학 제 1 법칙에 어긋나지 않는 점에 주의해야 한다. 만약 제 2 종 영구기관이 가능하다면 대기나 바닷물에서 열을 취해서 전력으로 바꿀 수 있으므로, 특별히 석유를 연소시키거나 핵반응을 일으켜 높은 온도를 만들지 않아도 발전할 수 있게 된다. 그러나 우리 경험에 의하면 현실적으로 이런 일은 있을 수 없으므로 열역학 제 2 법칙이보편적으로 성립한다고 할 수 있다. 열을 일로 바꾸기 위해서는 반드시 고온의 열원과 저온의 열원이 필요하며, 열의 일부를 저온열원에 버려야 한다. 열역학 제 2 법칙은 당연한 것을 설명하는 것처럼 생각되지만, 열역학 제 1 법칙과 짜맞추면 열역학 체계가 그 위에 전개된다. 그 첫단계가 절대온도 및 엔트로피의 도입이다. 엔트로피는 내부에너지와 마찬가지로 상태량, 즉 물체의 정해진 열평형상태에서 정해진 값을 취하는 양이다. 이 엔트로피라는 양을 사용하면 열역학 제 2 법칙은, 외계로부터 고립된 물체의 계(系)에서 생기는 변화에서는 계 전체의 엔트로피는 반드시 증가한다는 엔트로피 증가의 원리로 나타내진다. 열평형상태에 있는 물체에 외부의 열원에서 미소한 열량(Q)을 주었을 때, 그 물체의 엔트로피(S)는 Q / T(˚K)만큼 변화한다. 여기서 T(˚K)는 문제가 되는 상태의 절대온도이다. 온도 T1(고온, ˚K), T2(저온, ˚K)의 두 물체 1, 2를 접촉시켜 Q의 열을 1에서 2로 이동시키면 두 물체의 엔트로피 변화의 합 S1 + S2 = (-Q / T1) + (Q / T2))과 같다. 여기에서 T1의 값이 T2보다 크므로 이 값은 반드시 양(陽)이다. 즉, 열이 고온에서 저온으로 이동할 때 엔트로피는 반드시 증가한다. 열역학 제 2 법칙은 1820년 무렵의 N.L.S. 카르노의 열기관에 관한 선구적 연구를 기초로 클라우지우스·켈빈에 의해 기본법칙으로 인식되었다(출처 : http://blog.naver.com/madame19.do?Redirect=Log&logNo=80001239789).
4. 열역학 제 3 법칙 (절대 0도의 법칙)
자연계에서는 어떠한 방법으로도 절대온도 0도(-273.15 ℃, 0 ˚K) 이하의 온도를 얻을 수 없다.
열역학 제 2 법칙에서 정해지는 것은 물체의 2개의 열평형상태에서의 엔트로피값의 차(差)이다. 예를 들면 일정한 양의 기체를임의의 열평형상태에서 온도와 압력이 다른 상태로 옮겼을 때 엔트로피의 변화량이 정해진다. 따라서 상수만의 임의성이 남게 되며, 특히 절대영도에서의 물체의 엔트로피값이 문제가 된다. 열역학 제 3 법칙은 일반적으로 물체가 지닌 엔트로피는 온도가 0 ˚K(-273.15 ℃)에 가까워지면 0이 된다는 것을 주장한다. W.H. 네른스트는 기체 · 액체 등의 열적 성질을 상세히 연구하여 1906년에 발표한 논문에서, 절대영도에 가까워지면 어떠한 변화에서의 엔트로피 변화도 0과 같아진다는 정리를 제출했다. 열역학 제 3 법칙은 이 네른스트의 정리를 M.K.E.L. 플랑크가 정밀화한 것으로, "네른스트의 열정리" 또는 "네른스트-플랑크의 열정리"라고도 한다(출처 : http://blog.naver.com/madame19.do?Redirect=Log&logNo=80001239789).
Ⅶ. 열의 이동 (전열)
열역학 제 2 법칙에 의하여 열은 고온에서 저온으로 이동하는데 이를 전열이라 하며 전열의 방법에는 전도, 대류, 복사가 있다.
1. 전도 (傳導, Conduction)
고체와 고체 사이에서의 열이동
Q = λ * F * Δt / l [Q : 열전도 열량 (㎉ / h), λ : 열전도율 (㎉ / m h ℃), F : 전열면적 (㎡), Δt : 온도차 (℃), l : 길이 (m)]
열전도율 (λ : ㎉ / mh℃) : 고체와 고체 사이에서 열의 이동속도
열전도열량은 열전도율, 전열면적, 온도차에 비례하고 고체의 두께와는 반비례한다.
2. 대류 (對流, Convection)
유체(액체, 기체)와 유체 사이의 열이동
(1) 열전달
Q = α * F * Δt [Q : 열전달 열량 (㎉ / h), α : 열전달률 (㎉ / ㎡ h ℃), F : 전열면적 (㎡), Δt : 온도차 (℃)]
열전달률, 경막계수(α : ㎉ / ㎡ h ℃) : 유체에서 열 이동속도
열전달량은 열전달률 전열면적, 온도차에 비례한다.
대류의 분류 : ① 자연대류 : 유체의 비중량(밀도, 무게)차에 의한 열의 이동
② 강제대류 : ㉠ Fan, Blower (송풍기) : 기체를 강제 대류시킴
㉡ Agitator (교반기) : 액체를 강제 대류시킴
(2) 열통과, 열관류
전도 및 대류 등 2가지 이상 복합하여 일어나는 열의 이동
Q = K * F * Δt [Q : 열통과 열량 (㎉ / h), K : 열통과율 (㎉ / ㎡ h ℃), F : 전열면적 (㎡), Δt : 온도차 (℃)]
열통과율, 열관류율, 전열계수 (K : ㎉ / ㎡ h ℃) : 고체와 유체사이에서 전체적인 열의 이동속도
K = 1 / R(f) = 1 / [(1 / α₁) + (l₁ / λ₁) + (l₂ / λ₂) + (l₃ / λ₃) + (1 / α₂)]
[R, f : 열저항, 오염계수 (㎡ h ℃ / ㎉), α : 열전달률 (㎉ / ㎡ h ℃), λ : 열전도율 (㎉ / m h ℃), l : 고체의 두께 (m)]
열통과 열량은 열통과율, 전열면적, 온도차에 비례한다.
열저항, 오염계수 R(f) = l / λ = m / (㎉ / m h ℃) = ㎡ h ℃ / ㎉
3. 복사, 방사 (輻射, 放射, Radiation)
태양이나 난로 주위에서 발생되는 복사열은 중간 매체없이 열이 이동하는데 이와 같이 적외선(열선)에 의한 전열을 복사, 일사, 방사라고 한다.
방사에너지 E = ε * σ * T⁴ [㎉ / ㎡ h]
Ⅷ. 비중, 밀도, 비중량 및 비체적
1. 비중 (比重, Specific Gravity)
측정하고자 하는 액체의 비중량(밀도, 무게)과 4 ℃ 순수한 물의 비중량(밀도, 무게)과의 비
비중(S, d) = 측정하고자 하는 액체의 비중량(γ(x)) / 4 ℃ 순수한 물의 비중량 (γ(w) = 1,000)
2. 밀도 (密度, Density)
단위 체적당 유체의 질량
밀도(ρ) = 질량(㎏) / 체적(㎥)
3. 비중량 (比重量, Specific Weight)
단위체적(㎥)당 유체의 중량(㎏f)
비중량(γ) = 중량(㎏f) / 체적(㎥) = 밀도(ρ) * 중력가속도(g)
4. 비체적 (比體積, Specific Volume)
단위중량(㎏f)당 유체가 차지하는 체적으로 비중량과는 역수의 관계이다.
비체적(v) = 체적(㎥) / 중량(㎏f)
Ⅸ. 일과 동력
1. 일 (Work)
(1) 정의
어떤 물체에 힘을 가했을 때 움직인 거리 (W : ㎏ m)
일 = 힘(㎏) * 움직인 거리(m)
(2) 일과 열은 에너지의 한 형태로 427 ㎏ m = 1 ㎉ 의 관계가 있다.
2. 동력 (Power)
(1) 정의
단위시간당 한 일(㎏ m / sec) 즉, 일을 시간으로 나눈 것 (일률, 공률)
동력 = 일 (㎏ m) / 시간 (sec) = 힘 (㎏) * 거리 (m) / 시간 (sec)
= 힘 (㎏) * 속도 (m / sec) = 유량 (㎏ / sec) * 거리 (m)
(2) 동력의 구분
1PS (국제, 미터마력) = 75 ㎏ m / sec = 75 * (1 / 427) * 3,600 = 632 ㎉ / h
1HP (영국 마력) = 76 ㎏ m / sec = 76 * (1 / 427) * 3,600 = 641 ㎉ / h
1KW (전기력) = 102 ㎏ m / sec = 102 * (1 / 427) * 3,600 = 860 ㎉ / h
Ⅹ. 압력 (壓力, Pressure)
단위면적(㎠)당 수직으로 작용하는 힘 (㎏)
1. 압력의 표시방법
(1) 면적 : ㎏ / ㎠, lb / in² (PSI), N / ㎡ (㎩)
(2) 높이 : ㎝Hg, ㎜Hg, mH₂O (mAq), ㎜H₂O (㎜Aq), mbar (milli bar)
<Torricelli 실험>
<게이지압력과 절대압력 비교>
2. 표준 대기압 (Atmospheric Pressure)
P = γ(Hg) * H = 1,000 * S(Hg) * H [P : 압력 (㎏ / ㎡), γ : 액체의 비중량 (㎏ / ㎥), H : 액체의 높이 (m)]
= 1,000 * 13.596 * 0.76
= 10,332 ㎏ / ㎡ * 1² / 100² ㎡ / ㎠
= 1.033 ㎏ / ㎠
표준대기압
1 atm = 76 ㎝Hg ≒ 30 inHg ≒ 1,013 mbar = 1.013 bar
≒ 10.33 mH₂O(mAq) = 10,332 ㎜Aq
≒ 10,332 ㎏ / ㎡ ≒ 1,033 ㎏ / ㎠ ≒ 14.7 lb / in²
≒ 101,325 ㎩ ≒ 101 ㎪ ≒ 0.1 ㎫
3. 공학기압 (at)
압력계산을 보다 쉽게 하기 위하여 표준대기압의 1.033 ㎏ / ㎠ 의 소수 이하를 제거한 1 ㎏ / ㎠ 를 기준으로 한 압력
1 at = 1㎏ / ㎠ = 735.6 ㎜Hg = 10mH₂O = 10,000 ㎜H₂O
= 980 mbar = 0.98 bar
= 10,000 ㎏ / ㎡ = 14.2 lb / in² (PSI) = 98.088 ㎩
4. 기준에 의한 압력의 구분
(1) 절대압력 (Absolute Pressure)
① 완전진공을 0으로 기준하여 측정한 압력
② 선도나 표에서 사용하고, ㎏ / ㎠ abs, lb / in² A (PSIA)로 표시
(2) 게이지 압력 (Gauge Pressure)
① 표준대기압을 0으로 기준하여 측정한 압력
② 압력계에서 나타내는 압력으로 ㎏ / ㎠, ㎏ / ㎝G, lb / in², lb / in²G 로 표시
(3) 진공압력 (Vacuum Pressure)
① 표준대기압 이하의 압력으로 부압(負壓, -압)이라 한다.
② 이 진공의 정도(대기압 이하)를 진공도라 하고, ㎝HgV, inHgV로 표시
5. 압력의 환산관계
(1) 절대압력 = 게이지압력 + 대기압
= 대기압 - 진공압력
(2) 게이지압력 = 절대압력 - 대기압
진공압을 절대압으로 환산
① h ㎝HgV : ㉠ ㎏ / ㎠ a 로 환산 P = 1.033 * [1 - (h / 76)]
㉡ ㎩ 로 환산 P = 101,325 * [1 - (h / 76)]
② h inHgV : ㉠ ㎏ / ㎠ a 로 환산 P = 1.033 * [1 - (h / 30)]
㉡ lb / in² a 로 환산 P = 14.7 * [1 - (h / 30)]
6. 압력계의 종류
압력의 정도를 나타내는 계측기기로서 일반적으로 황동(黃銅)으로 된 브로돈관을 사용하나 암모니아를 사용하는 장치에서는 부식되므로 강(鋼)으로 된 브로돈관을 사용하여야 한다.
(1) 고압 압력계 (High Pressure Gauge)
표준대기압 이상의 압력을 측정하는 것으로 일반적으로 보통 압력계라고 한다.
(2) 진공 압력계 (Vaccume Gauge)
표준대기압 이하의 압력을 측정하는 것으로 일반적으로 진공계라고 한다.
(3) 복합 압력계 (Compound Gauge)
표준대기압 이상(고압)의 압력과 이하의 압력(진공)을 측정할 수 있는 것으로 진공압력은 적색의 수치(수은주)로 표시되어 있다.
(4) 매니폴드 압력계 (Manifold Gauge)
복합 압력계와 고압 압력계 2개가 같이 붙어 있는 것으로 냉동장치에서 냉매나 오일을 충전하거나 배출할 때 서비스밸브에 연결시켜 사용한다.
Convection.jpg
Heat_Pass.jpg
Conduction.jpg
Torricelli.jpg
Guage_And_Absolute_Compare.jpg
Pressure_Compute.jpg
1. 열역학 제 0 법칙 (열평형의 법칙)
온도가 다른 각각의 물체를 접촉시키면 열이 이동되어 두 물질의 온도가 같아져 열평형을 이루게 되며 이는 온도계 온도측정의 원리가 된다.
＜물체 A와 B가 열평형에 있고 B와 C가 열평형에 있으면 A와 C도 열평형에 있다＞라는 법칙이 성립된다. 이 법칙은 열역학의체계가 만들어진 후에 J.C. 맥스웰이 기본법칙의 하나로 정했기 때문에 열역학 제 0 법칙이라고 한다. 열역학 제 0 법칙에 의해경험적 온도를 생각할 수 있게 되어 온도계의 사용이 가능해졌다. 즉, 물체 B를 물체 A와 열평형 상태로 한 후에 물체 C와접촉시켰을 때 B에 어떤 변화도 인정되지 않는 경우 A와 C는 같은 온도에 있다고 한다. 이때 B는 온도계의 역할을 하게 되며,변화의 유무는 예를 들면 수은주의 높이로 측정한다(출처 : http://blog.naver.com/madame19.do?Redirect=Log&logNo=80001239789).
2. 열역학 제 1 법칙 (에너지 보존의 법칙)
일(W)과 열(Q)의 전환관계에서는 각각의 에너지 총량의 변화는 없다. 즉, 일과 열은 서로 일정한 전환관계가 성립된다. (Q <=> W)
(1) 일과 열의 환산관계
Q = A * W [Q : 열량 (㎉), W : 일량 (㎏ m), A : 일의 열당량 (427 ㎏ m / ㎉), J : 열의 일당량 {(1 / 427) ㎉ / ㎏ m}]
W = J * Q
(2) 엔탈피 (Enthalphy)
① 정의 : 어떤 물질 1㎏(단위중량)이 가지고 있는 열량의 총합 (전열량, 합열량, 총열량)
엔탈피 (i, h) = 내부에너지 + 외부에너지 i, h : 엔탈피 (㎉ / ㎏), u : 내부에너지 (㎉ / ㎏)
= u + A * P * v A : 일의 열당량 (㎉ / ㎏ m), P : 압력 (㎏ / ㎡)
= u + A * W v : 비체적 (㎥ / ㎏), W : 일량 (㎏ m)
② 모든 냉매의 0 ℃ 포화액의 엔탈피는 100 ㎉ / ㎏을 기준한다.
③ 0 ℃ 건조공기의 엔탈피는 0 ㎉ / ㎏을 기준한다.
④ 열의 출입이 없는 단열변화(단열팽창)에서는 엔탈피의 변화가 없다. 즉, 단열팽창 과정은 등엔탈피선을 따라 팽창한다.
(3) 제 1종 영구기관
일정량의 에너지로 영구히 일을 할 수 있는 기관으로 실제 존재하지 않는다.
＜물체를 어떤 정해진 상태에서 다른 정해진 상태로 옮기기 위해 외계에서 물체에 주어야 하는 열량(A)과 일(W)의 합(Q)은 어떠한 방법에 의해서도 일정하다＞ 즉, 상태 a에서 b로의 변화에 필요한 전체에너지는 최초의 상태 a, 최후의 상태 b만으로 정해지며, 그 과정과는 관계없다. 여기서 역학적에너지 · 전자기적에너지 · 화학적에너지 등을 총칭하여 일이라고 한다. 또 물체가 외계에 열이나 일을 주는 경우에는 그 양은 (－)값을 취하는 것으로 한다. 만약 제 1 법칙이 성립하지 않는다고 하면 a → b라는 상태변화와 그 역변화 b → a를 다른 과정에서 일으킴으로써 무(無)에서 에너지를 만들어낼 수 있다. 즉 무(無)에서 에너지를 만들어 내는 장치인 제1 종 영구기관이 가능해진다. 따라서 제 1 법칙을 ＜제 1 종 영구기관은 불가능하다＞라고 표현할 수 있다. 열역학 제 1 법칙은19세기 중엽에 B.T. 럼퍼드 · J.P. 줄 · J.R. 마이어 · H.L.F. 헬름홀츠에 의해 확립되었다(출처 : http://blog.naver.com/madame19.do?Redirect=Log&logNo=80001239789).
3. 열역학 제 2 법칙 (열이동, 열흐름의 법칙, 엔트로피 증가의 법칙)
(1) 열은 고온에서 저온으로 이동한다.
(2) 열역학 제 1법칙에는 일과 열은 서로 교환이 가능하다고 하였지만 실제 일이 열로의 교환시에는 100%교환이 가능하나, 열을 일로 교환하는데 있어서는 열손실이 발생하므로 100%교환이 불가능하다.
(3) 엔트로피 (Entropy)
① 정의 : 일정 온도하에서 어떤 물질 1㎏이 가지고 있는 열량(엔탈피)을 그 때의 절대온도로 나눈 것
ΔS = ΔQ / T (㎉ / ㎏ ˚K)
② 모든 냉매의 0 ℃ 포화액의 엔트로피는 1 ㎉ / ㎏ ˚K를 기준으로 한다.
③ 열의 출입이 없는 단열변화(단열압축)에서는 엔트로피의 변화가 없다. 즉, 단열압축과정은 등엔트로피선을 따라 압축한다.
(4) 제 2종 영구기관
열에너지의 전부를 일에너지로 100% 전환할 수 있는 기관으로 실제 존재하지 않는다.
역학에서 취급하는 운동은 모두 가역(可逆)인데, 가역(可逆)이란 어떤 운동이 가능하면 그것을 반대방향으로 진행시키는 운동도 가능한 것을 뜻한다. 그러나 아주 많은 입자로 구성된 거시적 물체에서는 변화가 일정한 방향으로만 진행되고, 그 역변화는 생기지 않는 경우가 많다. 운동은 마찰에 의해 감쇠되어 열이 발생하지만 그 역변화는 일어나지 않는다. 또한 잉크를 물 속에 떨어뜨리면 확산되지만 자연히 모이는 일은 없다. 이같은 변화를 비가역변화(非可逆變化)라고 한다. 열역학 제 2 법칙은 자연계에 생기는 열현상이 어떤 방향으로 진행하는가를 서술한 것이다. 서로 동등한 열역학 제 2 법칙에 대한 표현 방법이 몇 가지 있는데, 그 중 대표적인 2가지는 다음과 같다. 하나는 ＜열은 고온에서 저온으로 이동한다＞라는 표현이다. 즉 열의 이동은 비가역적이므로, 저온에서 고온의 물체로 열을 운반하면서 그 이외에는 어떤 변화도 남기지 않는 역과정은 불가능하다. 이것은 R.J.E. 클라우지우스의 표현이다. 또 하나는 켈빈(본명 W. 톰슨)의 표현으로, ＜일이 열이 되는 과정은 비가역적(非可逆的)이다＞라는 것이다. 따라서 그 역과정을 행하는 장치, 즉 열원에서 열을 받아 그것을 모두 일로 바꾸면서 그 이외에는 어떤 변화도 남기지 않고 원래상태로 되돌아 가는 장치인 제 2종 영구기관은 불가능하다. 제 2 종 영구기관이 열역학 제 1 법칙에 어긋나지 않는 점에 주의해야 한다. 만약 제 2 종 영구기관이 가능하다면 대기나 바닷물에서 열을 취해서 전력으로 바꿀 수 있으므로, 특별히 석유를 연소시키거나 핵반응을 일으켜 높은 온도를 만들지 않아도 발전할 수 있게 된다. 그러나 우리 경험에 의하면 현실적으로 이런 일은 있을 수 없으므로 열역학 제 2 법칙이보편적으로 성립한다고 할 수 있다. 열을 일로 바꾸기 위해서는 반드시 고온의 열원과 저온의 열원이 필요하며, 열의 일부를 저온열원에 버려야 한다. 열역학 제 2 법칙은 당연한 것을 설명하는 것처럼 생각되지만, 열역학 제 1 법칙과 짜맞추면 열역학 체계가 그 위에 전개된다. 그 첫단계가 절대온도 및 엔트로피의 도입이다. 엔트로피는 내부에너지와 마찬가지로 상태량, 즉 물체의 정해진 열평형상태에서 정해진 값을 취하는 양이다. 이 엔트로피라는 양을 사용하면 열역학 제 2 법칙은, 외계로부터 고립된 물체의 계(系)에서 생기는 변화에서는 계 전체의 엔트로피는 반드시 증가한다는 엔트로피 증가의 원리로 나타내진다. 열평형상태에 있는 물체에 외부의 열원에서 미소한 열량(Q)을 주었을 때, 그 물체의 엔트로피(S)는 Q / T(˚K)만큼 변화한다. 여기서 T(˚K)는 문제가 되는 상태의 절대온도이다. 온도 T1(고온, ˚K), T2(저온, ˚K)의 두 물체 1, 2를 접촉시켜 Q의 열을 1에서 2로 이동시키면 두 물체의 엔트로피 변화의 합 S1 + S2 = (-Q / T1) + (Q / T2))과 같다. 여기에서 T1의 값이 T2보다 크므로 이 값은 반드시 양(陽)이다. 즉, 열이 고온에서 저온으로 이동할 때 엔트로피는 반드시 증가한다. 열역학 제 2 법칙은 1820년 무렵의 N.L.S. 카르노의 열기관에 관한 선구적 연구를 기초로 클라우지우스·켈빈에 의해 기본법칙으로 인식되었다(출처 : http://blog.naver.com/madame19.do?Redirect=Log&logNo=80001239789).
4. 열역학 제 3 법칙 (절대 0도의 법칙)
자연계에서는 어떠한 방법으로도 절대온도 0도(-273.15 ℃, 0 ˚K) 이하의 온도를 얻을 수 없다.
열역학 제 2 법칙에서 정해지는 것은 물체의 2개의 열평형상태에서의 엔트로피값의 차(差)이다. 예를 들면 일정한 양의 기체를임의의 열평형상태에서 온도와 압력이 다른 상태로 옮겼을 때 엔트로피의 변화량이 정해진다. 따라서 상수만의 임의성이 남게 되며, 특히 절대영도에서의 물체의 엔트로피값이 문제가 된다. 열역학 제 3 법칙은 일반적으로 물체가 지닌 엔트로피는 온도가 0 ˚K(-273.15 ℃)에 가까워지면 0이 된다는 것을 주장한다. W.H. 네른스트는 기체 · 액체 등의 열적 성질을 상세히 연구하여 1906년에 발표한 논문에서, 절대영도에 가까워지면 어떠한 변화에서의 엔트로피 변화도 0과 같아진다는 정리를 제출했다. 열역학 제 3 법칙은 이 네른스트의 정리를 M.K.E.L. 플랑크가 정밀화한 것으로, "네른스트의 열정리" 또는 "네른스트-플랑크의 열정리"라고도 한다(출처 : http://blog.naver.com/madame19.do?Redirect=Log&logNo=80001239789).
Ⅶ. 열의 이동 (전열)
열역학 제 2 법칙에 의하여 열은 고온에서 저온으로 이동하는데 이를 전열이라 하며 전열의 방법에는 전도, 대류, 복사가 있다.
1. 전도 (傳導, Conduction)
고체와 고체 사이에서의 열이동
Q = λ * F * Δt / l [Q : 열전도 열량 (㎉ / h), λ : 열전도율 (㎉ / m h ℃), F : 전열면적 (㎡), Δt : 온도차 (℃), l : 길이 (m)]
열전도열량은 열전도율, 전열면적, 온도차에 비례하고 고체의 두께와는 반비례한다.
2. 대류 (對流, Convection)
유체(액체, 기체)와 유체 사이의 열이동
(1) 열전달
Q = α * F * Δt [Q : 열전달 열량 (㎉ / h), α : 열전달률 (㎉ / ㎡ h ℃), F : 전열면적 (㎡), Δt : 온도차 (℃)]
열전달량은 열전달률 전열면적, 온도차에 비례한다.
대류의 분류 : ① 자연대류 : 유체의 비중량(밀도, 무게)차에 의한 열의 이동
② 강제대류 : ㉠ Fan, Blower (송풍기) : 기체를 강제 대류시킴
㉡ Agitator (교반기) : 액체를 강제 대류시킴
(2) 열통과, 열관류
전도 및 대류 등 2가지 이상 복합하여 일어나는 열의 이동
Q = K * F * Δt [Q : 열통과 열량 (㎉ / h), K : 열통과율 (㎉ / ㎡ h ℃), F : 전열면적 (㎡), Δt : 온도차 (℃)]
K = 1 / R(f) = 1 / [(1 / α₁) + (l₁ / λ₁) + (l₂ / λ₂) + (l₃ / λ₃) + (1 / α₂)]
[R, f : 열저항, 오염계수 (㎡ h ℃ / ㎉), α : 열전달률 (㎉ / ㎡ h ℃), λ : 열전도율 (㎉ / m h ℃), l : 고체의 두께 (m)]
열통과 열량은 열통과율, 전열면적, 온도차에 비례한다.
열저항, 오염계수 R(f) = l / λ = m / (㎉ / m h ℃) = ㎡ h ℃ / ㎉
3. 복사, 방사 (輻射, 放射, Radiation)
태양이나 난로 주위에서 발생되는 복사열은 중간 매체없이 열이 이동하는데 이와 같이 적외선(열선)에 의한 전열을 복사, 일사, 방사라고 한다.
방사에너지 E = ε * σ * T⁴ [㎉ / ㎡ h]
Ⅷ. 비중, 밀도, 비중량 및 비체적
1. 비중 (比重, Specific Gravity)
측정하고자 하는 액체의 비중량(밀도, 무게)과 4 ℃ 순수한 물의 비중량(밀도, 무게)과의 비
비중(S, d) = 측정하고자 하는 액체의 비중량(γ(x)) / 4 ℃ 순수한 물의 비중량 (γ(w) = 1,000)
2. 밀도 (密度, Density)
단위 체적당 유체의 질량
밀도(ρ) = 질량(㎏) / 체적(㎥)
3. 비중량 (比重量, Specific Weight)
단위체적(㎥)당 유체의 중량(㎏f)
비중량(γ) = 중량(㎏f) / 체적(㎥) = 밀도(ρ) * 중력가속도(g)
4. 비체적 (比體積, Specific Volume)
단위중량(㎏f)당 유체가 차지하는 체적으로 비중량과는 역수의 관계이다.
비체적(v) = 체적(㎥) / 중량(㎏f)
Ⅸ. 일과 동력
1. 일 (Work)
(1) 정의
어떤 물체에 힘을 가했을 때 움직인 거리 (W : ㎏ m)
일 = 힘(㎏) * 움직인 거리(m)
(2) 일과 열은 에너지의 한 형태로 427 ㎏ m = 1 ㎉ 의 관계가 있다.
2. 동력 (Power)
(1) 정의
단위시간당 한 일(㎏ m / sec) 즉, 일을 시간으로 나눈 것 (일률, 공률)
동력 = 일 (㎏ m) / 시간 (sec) = 힘 (㎏) * 거리 (m) / 시간 (sec)
= 힘 (㎏) * 속도 (m / sec) = 유량 (㎏ / sec) * 거리 (m)
(2) 동력의 구분
1PS (국제, 미터마력) = 75 ㎏ m / sec = 75 * (1 / 427) * 3,600 = 632 ㎉ / h
1HP (영국 마력) = 76 ㎏ m / sec = 76 * (1 / 427) * 3,600 = 641 ㎉ / h
1KW (전기력) = 102 ㎏ m / sec = 102 * (1 / 427) * 3,600 = 860 ㎉ / h
Ⅹ. 압력 (壓力, Pressure)
단위면적(㎠)당 수직으로 작용하는 힘 (㎏)
1. 압력의 표시방법
(1) 면적 : ㎏ / ㎠, lb / in² (PSI), N / ㎡ (㎩)
(2) 높이 : ㎝Hg, ㎜Hg, mH₂O (mAq), ㎜H₂O (㎜Aq), mbar (milli bar)
2. 표준 대기압 (Atmospheric Pressure)
P = γ(Hg) * H = 1,000 * S(Hg) * H [P : 압력 (㎏ / ㎡), γ : 액체의 비중량 (㎏ / ㎥), H : 액체의 높이 (m)]
= 1,000 * 13.596 * 0.76
= 10,332 ㎏ / ㎡ * 1² / 100² ㎡ / ㎠
= 1.033 ㎏ / ㎠
표준대기압
1 atm = 76 ㎝Hg ≒ 30 inHg ≒ 1,013 mbar = 1.013 bar
≒ 10.33 mH₂O(mAq) = 10,332 ㎜Aq
≒ 10,332 ㎏ / ㎡ ≒ 1,033 ㎏ / ㎠ ≒ 14.7 lb / in²
≒ 101,325 ㎩ ≒ 101 ㎪ ≒ 0.1 ㎫
3. 공학기압 (at)
압력계산을 보다 쉽게 하기 위하여 표준대기압의 1.033 ㎏ / ㎠ 의 소수 이하를 제거한 1 ㎏ / ㎠ 를 기준으로 한 압력
1 at = 1㎏ / ㎠ = 735.6 ㎜Hg = 10mH₂O = 10,000 ㎜H₂O
= 980 mbar = 0.98 bar
= 10,000 ㎏ / ㎡ = 14.2 lb / in² (PSI) = 98.088 ㎩
4. 기준에 의한 압력의 구분
(1) 절대압력 (Absolute Pressure)
① 완전진공을 0으로 기준하여 측정한 압력
② 선도나 표에서 사용하고, ㎏ / ㎠ abs, lb / in² A (PSIA)로 표시
(2) 게이지 압력 (Gauge Pressure)
① 표준대기압을 0으로 기준하여 측정한 압력
② 압력계에서 나타내는 압력으로 ㎏ / ㎠, ㎏ / ㎝G, lb / in², lb / in²G 로 표시
(3) 진공압력 (Vacuum Pressure)
① 표준대기압 이하의 압력으로 부압(負壓, -압)이라 한다.
② 이 진공의 정도(대기압 이하)를 진공도라 하고, ㎝HgV, inHgV로 표시
5. 압력의 환산관계
(1) 절대압력 = 게이지압력 + 대기압
= 대기압 - 진공압력
(2) 게이지압력 = 절대압력 - 대기압
진공압을 절대압으로 환산
① h ㎝HgV : ㉠ ㎏ / ㎠ a 로 환산 P = 1.033 * [1 - (h / 76)]
㉡ ㎩ 로 환산 P = 101,325 * [1 - (h / 76)]
② h inHgV : ㉠ ㎏ / ㎠ a 로 환산 P = 1.033 * [1 - (h / 30)]
㉡ lb / in² a 로 환산 P = 14.7 * [1 - (h / 30)]
6. 압력계의 종류
압력의 정도를 나타내는 계측기기로서 일반적으로 황동(黃銅)으로 된 브로돈관을 사용하나 암모니아를 사용하는 장치에서는 부식되므로 강(鋼)으로 된 브로돈관을 사용하여야 한다.
(1) 고압 압력계 (High Pressure Gauge)
표준대기압 이상의 압력을 측정하는 것으로 일반적으로 보통 압력계라고 한다.
(2) 진공 압력계 (Vaccume Gauge)
표준대기압 이하의 압력을 측정하는 것으로 일반적으로 진공계라고 한다.
(3) 복합 압력계 (Compound Gauge)
표준대기압 이상(고압)의 압력과 이하의 압력(진공)을 측정할 수 있는 것으로 진공압력은 적색의 수치(수은주)로 표시되어 있다.
(4) 매니폴드 압력계 (Manifold Gauge)
복합 압력계와 고압 압력계 2개가 같이 붙어 있는 것으로 냉동장치에서 냉매나 오일을 충전하거나 배출할 때 서비스밸브에 연결시켜 사용한다.
Convection.jpg
Heat_Pass.jpg
Conduction.jpg
Torricelli.jpg
Guage_And_Absolute_Compare.jpg
Pressure_Compute.jpg
# by | 2009/10/25 20:23 | 공조냉동 | 트랙백 | 덧글(0)
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