공학 열역학: 기본 및 원리

공학 열역학의 기본 원리는 설비와 전체 설계의 성능 향상을 통해 더 나은 세상으로 나아가는 데 중요한 역할을 한다.

설비의 성능 평가에서 중요한 요소는 최종 제품의 출력, 입력 원재료의 소비, 생산 비용, 환경 영향의 평가 등이다. 오늘날 엔지니어들은 인간의 안전과 편의를 위해 고안된 것들을 검토하고 재창조하기 위해 열역학의 개념을 사용하고 있다.

열역학이라는 과학은 19세기부터 존재해 왔다. 그 이후로 과학자들과 엔지니어들은 이를 가능한 한 사용자 친화적으로 만들기 위해 지속적이고 꾸준한 노력을 해왔다.

열역학의 기본 원리

열역학이라는 단어는 그리스어로 열을 의미하는 테마(theme)와 힘을 의미하는 다이나믹스(dynamics)에서 유래되었다. 공학 전문가들은 시스템과 그 주변 환경 간의 상호 작용을 연구하는 데 관심이 있다.

이 섹션에서 사용되는 개념/정의는 독자가 공학 열역학(때로는 열-파워 공학이라고도 함)의 개념을 이해하는 데 도움이 된다.

시스템, 주변 환경 및 우주

시스템은 우리가 연구하고 관심이 있는 것이다. 따라서 첫 번째 단계는 시스템 연구의 목표를 정확히 설정하는 것이다. 시스템 연구의 목표는 시스템의 효율성을 개선하거나 손실을 줄이는 것일 수 있다. 예를 들어, 냉장 창고 플랜트에서 냉각 사이클을 분석하거나 발전소에서 랭킨 순환을 분석하는 것이 시스템의 예시일 수 있다.

시스템은 닫힌 또는 유연한 표면으로 둘러싸인 특정 양의 순수 물질로 정의된다. 마찬가지로, 시스템 내부의 물질 구성은 주기에 따라 고정되거나 가변적일 수 있다.

시스템의 차원은 반드시 일정하지 않다(압축기에 공기가 피스톤에 의해 압축되는 경우). 이는 변동될 수 있다(팽창된 풍선처럼). 시스템과 외부적으로 상호작용하는 물질은 주변 환경이라고 하며, 우주는 시스템과 주변 환경의 결과물이다.

시스템을 주변 환경으로부터 구분하는 요소는 경계이다. 시스템의 경계는 고정되어 있을 수도 있고 움직일 수도 있다.

시스템과 주변 환경 간의 상호작용은 경계를 넘어서 이루어지며, 이는 열역학(즉, 열과 파워 공학)에서 매우 중요한 역할을 한다.

열역학에서의 시스템 유형

열역학에는 두 가지 기본적인 시스템 유형이 있다:

1. 닫힌 시스템 또는 제어 질량: 특정 양의 물질과 관련되어 있다. 열린 시스템과 달리, 닫힌 시스템에서는 시스템 경계를 통해 물질의 흐름이 발생하지 않는다. 또한 주변 환경과 상호작용하지 않고 고립된 특수한 종류의 닫힌 시스템은 고립 시스템이라고 한다.

2. 제어 부피(열린 시스템): 제어 부피는 공간의 특정 영역으로, 여기서 질량과 에너지가 흐르고 시스템 경계를 교차할 수 있다. 열린 시스템의 경계는 제어 표면이라고 하며, 이 제어 표면은 실제일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
   예를 들어, 펌프를 통한 물의 흐름, 터빈을 통한 증기의 흐름, 공기 압축기를 통한 공기의 흐름과 같은 질량의 흐름을 포함하는 장비는 열린 시스템의 예시이다.

미시적 열역학

열역학에서의 미시적 접근법은 통계 열역학이라고도 불리며, 이는 물질의 구조와 관련되어 있으며, 통계 열역학의 목적은 관심 있는 시스템을 구성하는 입자의 평균 행동을 특성화하고 이를 이용하여 시스템의 거시적 행동을 관찰하는 것이다.

열역학적 속성, 상태 및 과정

열역학적 속성

열역학적 속성은 시스템의 거시적 특성이다. 속성의 값은 이전 값이나 그 동작 없이 언제든지 할당할 수 있다.

광범위한 속성

질량에 의존하는 속성을 광범위한 속성이라고 하며, 전체 시스템에 대한 값은 시스템이 나뉘어진 부분의 값들의 합이다. 광범위한 속성의 예는 부피, 에너지, 질량 등이다. 광범위한 속성은 시스템의 크기에 따라 다르며 시간에 따라 변화할 수 있다.

집중적 속성

광범위한 속성과 대조적으로 집중적 속성은 질량에 의존하지 않으며, 가산성이 없다. 시스템의 총 크기에 의존하지 않는다. 시스템 내에서 어느 순간에도 서로 다른 위치에서 다양하게 될 수 있다. 집중적 속성의 예는 압력과 온도이다.

열역학적 상태

상태는 시스템의 속성에 의해 가장 잘 설명되는 시스템의 조건으로 정의된다. 시스템 내에 포함된 질량은 다양한 고유한 조건, 즉 상태에서 발견될 수 있다. 시스템의 속성들 사이에는 관계가 있지만, 상태는 속성의 일부 집합의 값을 제공함으로써 지정될 수 있다.

열역학적 과정

열역학적 과정은 한 상태에서 다른 상태로의 전환이다. 시스템에서 두 개의 다른 시간에 거시적 속성의 값이 동일하다면, 시스템은 그 시간에 동일한 상태라고 말한다. 시스템의 어떤 속성도 시간에 따라 변경되지 않으면 시스템의 정상 상태가 달성된다.

시스템 균형 주기

열역학 시스템 균형 주기는 동일한 상태로 시작하고 종료되는 순차적인 과정이다. 주기가 완료되면 모든 속성은 처음과 동일한 값을 갖게 된다. 규칙적으로 반복되는 모든 주기는 많은 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 열발전소에서 응축수의 순환은 주기를 수행한다.

작업 물질

물질의 이론은 에너지의 개념을 이해하는 데 도움이 된다. 물질은 질량, 부피, 공간으로 알려져 있으며, 구조와 성격에 관계없이 일관성과 신뢰성이 있는 특성을 가지고 있다. 물질은 분자라는 많은 입자로 구성되어 있다. 어디에서나 고체, 액체 또는 기체 형태의 물질을 찾을 수 있다.

고체 물질에서는 분자들이 서로 가까우며 강하게 결합되어 있어 자유롭게 움직일 수 없다. 따라서 형상을 바꾸려면 큰 힘이 필요하다.

액체 물질에서는 분자들이 굳게 결합되어 있지 않으므로, 분자들을 함께 유지하기 위해 매우 작은 힘만으로도 충분하다.

기체 상태에서는 분자들이 무작위로 자유롭게 움직이며, 마치 구속되지 않은 상태처럼 매우 빠르게 움직인다. 기체는 연결된 분자 사이에 많은 빈 공간이 있어 압축성이 있다. 에너지는 물질이 다양한 상태로 존재하는 이유이다.

순수 물질

단일 화학 구조 또는 화학 구조의 동질성으로 구성된 물질을 순수 물질이라고 한다. 물질은 액체와 같은 단일 상으로 존재할 수도 있고, 여러 상에서 균형을 이루며 존재할 수도 있다. 동일한 화학 구성의 균일한 기체 혼합물도 순수 물질이라고 한다.

순수 물질의 중요성은 다양한 압력과 온도 조건에서 작업 물질의 속성을 결정하는 데 있다.

예: 물과 같은 순수 물질은 압력과 온도라는 두 가지 독립적인 집중적 속성으로 완전히 설명할 수 있다. 또 다른 순수 물질은 기체 상태의 공기이다. 그러나 비균질 물질의 경우, 상태를 설명하기 위해서는 두 가지 이상의 속성이 필요하다.

열역학적 평형

역학에서 평형은 반대 방향의 힘을 균형잡았을 때 도달한다고 말한다. 그러나 열역학적 평형의 의미는 다르고 넓게 확장되며, 반대 방향의 힘을 균형잡는 것 외에도 (시스템과 주변 환경 사이에서) 많은 다른 영향을 균형잡는 것을 포함한다. 시스템 내에서 완전한 평형을 달성하려면 기계적, 열적, 상변화, 화학적 평형의 조건을 충족해야 한다.

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