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발전소 비행기 자동차

냉장고

에어컨 선박 태양열 난방

열역학의응용 분야

인체

과목명 : 열역학

제 1 장. 열역학 기초사항

(유의) 본 강의자료는 16:10 화면비율로 제작되었기 때문에 모니터 또는 스크린 해상도에 따라 이미지가 변형되어 표시될 수 있습니다.

물을 가열/기화시켜 얻은 증기압에의한 동력을 이용

< 강의 홈페이지 주소 >

https://qc3.webnode.kr

열역학은 …

2019-09-02열역학 (Thermodynamics)

2

열역학

열(Heat)의 성질을 이해하고, 이를 이용하려는 응용 과학

교재


3

제목

공업열역학

저자

김동진 외

출판사

문운당

교재의 구성


4

1장.

기초 사항

2장.

열역학1

법칙

3장.

완전기체

4장.

열역학2

법칙

5장.

증기

6장.

가스 및 증기동력사이

클

7장.

공기압축기/냉동사이

클

평가 항목과 평가 방법


5

출석20%

1차 평가20%

2차 평가30%

3차 평가30%

합계100%

실시 시기 :

평가 방법 :

<4주차>

<필기 시험>

<8주차>

<필기 시험>

<15주차>

<필기 시험>

(참고) 조기 취업생은 대체 평가 실시 (대학 학사업무 지침에 따른 것으로 과제물 부과 등의 형식을 취할 것임).

Contents and Goals

2019-09-02Pusan Nat'l Puiv.

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단원의 내용과 목표 단원의 내용

열이란 무엇인가?

온도의 정의와 종류

열 평형과 열역학 제 0 법칙

열역학에 사용하는 기초 물리량

단원의 목표

열과 온도에 대해 설명할 수 있다.

열 평형의 개념과 열역학에서 취급하는 각종 물리량을 구분하고 다룰 수 있다.

열과 일, 에너지를 이해할 수 있다.

동작물질, 계, 상태변화를 이해할 수 있다.

1-1. 공업열역학


7

열역학

어떤 물질이 열에 의하여 한 형태로부터 다른 형태로 변화할 때일어나는 상호관계를 연구하는 학문

대표적인 변화 :

① 물리적 변화(팽창/수축, 증발/응결), ② 화학적 변화(연소)

공업열역학

열의 성질이나 작용 원리를 이용하여 각종 기계나 기기 등의 제작을 위한 공학적 응용을 목적으로 하는 열역학을 말한다.

열기관(내연/외연기관), 열기계(냉동기,열펌프), 공기기계(송풍기) 등

무슨 일이 일어난것일까 ?

물이 이동하여섞임으로써 생긴현상일까?

아니면, 뭔가다른 일이 일어난 것일까?

1-2. 열의 본질

2019-09-02기계공학개론

8

열

뜨거운 물 차가운 물

미지근한 물

뜨거운 물이 담긴 주전자

차가운 물이 담긴 그릇

물이하지만인다이차가운

1-2. 열의 본질


9

열은 무엇일까?

경험으로 느끼는 ‘열’

뜨겁거나 차가움

이론적으로 정의하는 ‘열’

열은 어떤 물체의 분자가 운동함으로써 생기는 에너지의 한 형태이다.

분자의 운동이 활발해지면 뜨거워지고, 분자의 운동이 둔해지면 차가워짐

열은 일과 동등한 에너지

뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동

열량

온도

☞ 물체의 온도와 상태 변화의 원인이 되는 에너지의 한 종류

1-2. 열의 본질

2019-09-02기계공학개론

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열의 이동 방식

대류(convection)

온도차에 의해 유체 입자의 이동에 의한 열 전달

유체의 이동

전도(conduction)

접촉하고 있는 물체 사이의 열의 흐름

열을 통해 고체 원자의 운동 에너지 증가

복사(radiation)

전달 매체 없이 파동에 의한 열 에너지의 전달

태양 열(복사 에너지), 전자레인지(전자기파)

1-3. 온도와 온도계


11

온도

어떤 물체가 가지고 있는 열에너지의 강도(세기)를 수량적으로나타낸 것을 온도라고 한다.

종류

섭씨온도

표준 대기압 하에 있는 순수한 물의 어는 점을 0,

끓는 점을 100으로 하여 100등분하여 나타낸 온도

화씨온도

1기압 하에서 순수한 물의

어는점을 32, 끓는점을 212로 정하고,

두 점 사이를 180등분하여 나타낸 온도

cf. 절대온도

즉, 물체의 차고 뜨거운 정도를 수치로 나타낸 물리량물질 내의 분자(또는 원자)들의 운동에너지의 척도

어는점

끓는점

화씨 섭씨



12

100

0

21232

𝟐𝟏𝟐 − 𝟑𝟐

𝟏𝟎𝟎 − 𝟎=𝑭 − 𝟑𝟐

𝑪 − 𝟎 𝑭 =𝟐𝟏𝟐 − 𝟑𝟐

𝟏𝟎𝟎× 𝑪 + 𝟑𝟐 =

𝟗

𝟓× 𝑪 + 𝟑𝟐

그림. <섭씨온도와 화씨온도 사이의 환산 원리>

C

F


2019-09-02기계공학개론

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절대 온도(=켈빈온도, 열역학적 온도)

자연에서 존재할 수 있는 가장 낮은 온도를 기준점 0 (K)로 하고, 섭씨온도와 같은 눈금으로 나타낸 온도

섭씨 -273.15oC를 0으로 나타냄

온도 눈금의 간격은 섭씨와 동일하게 구성

기호 : K

𝑇(𝐾) = 𝑇(𝑜𝐶) + 273.15

부피절대 온도의 유래

온도

𝑃

𝑇= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.

(절대영도)

-273.15

309.65



14

예제 1-1

15[oC]를 화씨온도와 절대온도로 환산하시오.

𝑭 =𝟗

𝟓× 𝑪 + 𝟑𝟐 𝑪 =

𝟓

𝟗× (𝑭 − 𝟑𝟐)

𝑲 = 𝟐𝟕𝟑. 𝟏𝟓 + 𝑪

1-4. 열 평형


15

평형

역학적 평형

어떤 계 내의 일부분의 사이 또는 계와 주위의 사이에 힘의 불균형이존재하지 않는 경우를 역학적 평형 상태에 있다고 함

화학적 평형

어떤 계 내에서 화학적인 변화, 확산, 용해가 일어나지 않는 경우 화학적 평형 상태에 있다고 함

열 평형(열역학적 평형)

역학적, 화학적 평형인 계와 주위가 투열벽으로 차단되어 있을 때 계내의 상태변화(즉, 온도변화)가 자발적으로 일어나지 않는 경우를 ‘열 평형 상태’라고 한다.

서로 접촉해 있는 뜨거운 물체와 차가운 물체 사이의 열은 이동한다. 시간이 충분히 지나 두 물체의 온도가 같아져, 더 이상 뜨거워지지도차가워지지도 않는 상태를 열 평형이라고 한다

1-5. 열역학 제0법칙


16

열역학 제0법칙(=열 평형의 법칙)

“어떤 2개의 계가 다른 1개의 계와 열 평형 상태에 있으면 이 2개의 계는 서로 열 평형 상태에 있다.”

계 B와 계 C가 계 A와 열 평형상태에 있으면,

계 B와 계 C는 열 평형 상태이다.

1-6. 열량


17

열량

“열에너지의 양”을 열량이라고 한다.

즉, 열의 많고 적음을 나타낸다.

단위(SI단위계, 국제단위계) : 줄(J)[※ 일의 단위와 같다], 와트초(W∙s)

공학단위계에서는 kcal, Btu를 사용함.

열량 단위 사이의 관계

1 (kcal15) : 순수한 물 1(kg)을 표준대기압에서 14.5(oC)에서 15.5(

oC)까지 1(

oC) 만큼

올리는 데에 필요한 열의 양 [『15도 킬로칼로리』]

1 (kcal15) = 4.1855(kJ)

→ 1 (kcal) = 4.186(kJ) 로 통일하여 사용함(또는 1 (cal) = 4.186(J)).

(참고) 비열량 : “단위 질량당의 열량” [ 단위 : J/kg ]

1-7. 비열 및 비열비


18

비열

열용량 : 어떤 물질의 온도를 1(K) 또는 1(oC) 높이는 데 필요한열량

비열의 정의 : 어떤 물질의 단위 질량당의 열용량 물의 비열 : 1(cal/g∙

oC) = 1,000(cal/kg∙K) ≈ 4,200(J/kg∙K)

단위 : J/kg∙K[SI단위계, 국제단위계], kcal/kg∙oC[공학단위계]

※ 질량 m(kg)인 물체의 온도를 dT 만큼 올리고자 할 때 필요한 열량(dQ)은질량과 온도 변화량에 비례한다.

즉,𝑑𝑄 = 𝐶 ∙ 𝑚 ∙ 𝑑𝑇 단, C : 비례계수 (물질에 따라 정해지는 값이며,

이 값이『비열』이다.)(열량 계산 공식)

1(㎈) = 4.186(J) ≈ 4.2(J)

1,000(cal/kg∙oC)=1(kcal/kg∙

oC)

비열은 물질 마다 고유한 값을가짐(즉, 물질의 고유한 성질).

일반적으로 액체의 비열이 고체의 비열보다 크다.

비열이 클수록 온도를 높이는데 열량이 많이 필요하므로 온도가잘 올라가지 않는다.

2019-09-02

19


[예제] 600W의 전열기에서 무게 3kg(m=3kg)의 물을 15oC에서 100

oC까지 가

열하려 한다. 몇 분 정도 걸리겠는가? (단, 어떠한 형태의 열손실도 없다).

[sol.]

질량 3kg의 물을 15→100oC로 가열하는데 필요한 열량은

600W 전열기는

얼마 동안 가열하면 필요한 열량 255,000(cal)를 공급할 수 있는가를 계산하면,

1(㎈)≈4.2(J)

1(J)≈0.24(㎈)600 𝑊 = 600 ൗ𝐽 𝑠 = 600 × 0.24 ൗ𝑐𝑎𝑙

𝑠 = 144 ൗ𝑐𝑎𝑙𝑠

144 ൗ𝑐𝑎𝑙𝑠 × 𝑇𝑖𝑚𝑒(𝑠) = 255,000(𝑐𝑎𝑙)

∴ 𝑇𝑖𝑚𝑒 𝑠 =255,000

144𝑠 = 1,770.83 𝑠 = 29.51(𝑚𝑖𝑛. )

𝑄 = 𝑚 ∙ 𝑐 ∙ ∆𝑇 = 3,000 × 1 × 𝑇2 − 𝑇1 = 255,000(𝑐𝑎𝑙)

C=1(cal/g∙oC)

g=10(m/s2)

1(cc)=?

1(liter)=?

물 1(cc)의 무게=?

물 1(리터)의 질량=?



20

열량 계산공식의 적용

비열이 일정할 때

어떤 물체의 온도를 T1에서 T2로 변화시키고자 할 때 필요한 열량 Q = ?

비열이 온도의 함수일 때

비열 C가 일정하지 않고 온도에 따라 다를 때에는 적분으로 구한다.

𝑑𝑄 = 𝑚 ∙ 𝐶 ∙ 𝑑𝑇 𝑄 = 𝑚 ∙ 𝐶 ∙ (𝑇2 − 𝑇1)

𝑑𝑄 = 𝑚 ∙ 𝐶 ∙ 𝑑𝑇 𝑄 = 𝑚 ∙ න𝑇1

𝑇2

𝐶𝑑𝑇



21

열 평형 온도(Tm)

물체 2

물체 1

질량 m2

비열 C2

온도 T2

질량 m1

비열 C1

온도 T1

외부와 차단(단열)

즉, 열손실이나 주위로부터의열공급도 없다.

장시간이 경과하면 두 물체의 온도는같아진다(『열평형상태』).

𝑇2 < 𝑇𝑚 < 𝑇1

고온 물체로부터 저온 물체로 열 이동

𝑚2𝐶2 𝑇𝑚 − 𝑇2 크기가같다 𝑚1𝐶1 𝑇𝑚 − 𝑇1

고온의 물체가 잃은 열량저온의 물체가 얻은 열량(※ 부호는 서로 반대이다.)



22

여러 가지 물질의 비열


예제 1-3 예제 1-4

2019-09-02

23

열역학 (Thermodynamics)



24

비열비

비열은 같은 물질이라도 물질에 열이 가해지는 조건과 상태에 따라달라진다(특히 기체의 경우).

정적 비열(𝑪𝒗)

체적이 일정한 상태에서 가열할 때의 비열

정압 비열(𝑪𝒑)

압력이 일정한 상태에서 가열할 때의 비열

정적 비열에 대한 정압 비열의 비를 비열비라고 한다.

고체와 액체에서는 값의 차이가 거의 없기 때문에 구분하지 않는다.

𝐾 =𝐶𝑝𝐶𝑣

> 1 (𝐾 : “카파”라고 읽는다.)


예제 1-5 예제 1-6

2019-09-02

25


1-8. 잠열


26

잠열

현열

𝑻(℃)

가열 (열 공급)

고체

액체

기체

융해(고체→액체)

결빙(액체→고체)

고체 / 액체

기화(액체→기체)

응결(기체→액체)

액체 / 기체

그림. 현열(sensible heat)과 잠열(latent heat)

1-9. 압력


27

압력(pressure) : p

정의 : 단위 면적당 작용하는 수직방향의 힘

즉, 어떤 면에 작용하는 수직력을 힘이 작용하는 면적으로 나눈 값

단위 : Pa (파스칼이라고 읽는다)

1(Pa) = 1 (N/m2) = 1 (kg/m∙s2)

= 𝟏

𝟗.𝟖×𝟏𝟎𝟎𝟐(kgf/cm2) = 1.02(kgf/cm2)

즉, 1(Pa)은 1(m2)의 면적에 1(N)의 힘이 작용할 때의 압력이다.

𝑝 =𝐹

𝐴 A : 힘이 작용하는 면적, F : 면에 작용하는 수직력

1-9. 압력


28

지구 대기권과 대기압

지구 대기의 압력(대기압)

해수면을 기준으로 한 대기압(표준대기압)

대류권

성층권

중간권

열권

외기권

해수면 지표면

표준대기압=1(atm)

= 760 𝑚𝑚𝐻𝑔= 1,013.25 𝑚𝑏𝑎𝑟= 1.01325 𝑏𝑎𝑟= 101.325 𝑘𝑃𝑎= 1.033( Τ𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚2)

≅ 105(𝑃𝑎)

≅ 1 (𝑏𝑎𝑟)

1-9. 압력


29

표준대기압

정의 : 높이가 760(mm)인 0(oC)의수은 기둥[밀도 = 13.595(g/cm3)]이 가하는 압력

지구 대기의 꼭대기에서 지표면까지의 공기 기둥이 가하는 압력을 『대기압』이라고 한다.

대기압은 높이에 따라 달라진다.

평균해수면에서의 대기압을 『표준대기압』이라고 부르며, 1(atm)으로표시한다.

1-9. 압력


30

사진. 압력계

공학기압

공학 분야에서 일반적으로 사용하는 대기압이다.

계기압력(gauge pressure)

대기압을 0으로 두고 측정한 압력 (게이지압)

압력계 : 대기에 노출되어 있어 항상 대기압이 작용

대기압은 높이에 따라 달라짐

대기압에 관계없이 압력을 측정하기 위함

1 공학 기압 = 1 (at) = 1 (kgf/cm2)

= 735.559 (mmHg)

= 98.0665 (kPa)

1-9. 압력


31

절대압력

정의 : 가스(gas)가 전혀 없는 상태(=완전 진공)를 기준으로 한 압력이다.

단위

𝑝𝑎 : 절대압력𝑝𝑔 : 계기압력

𝑝𝑜 : 대기압력

𝒑𝒂 = 𝒑𝒈 + 𝒑𝒐

진공

1 𝑝𝑠𝑖

= 1 Τ𝑙𝑏𝑓 𝑖𝑛2

= 6.895 𝑘𝑃𝑎= 0.07( Τ𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚2)

1-9. 압력


32

진공(vacuum)

정의 : 대기압보다 낮은 압력 상태를 말한다.

부압의 계기압력에 해당함

진공도

진공의 정도를 나타내는 값이다.

진공도 100 : 완전 진공

진공도 0 : 대기압

진공700(mmHg) vac.

= 760-700 = 60(mmHg) [절대압력]

진공도 = (700/760)x100 = 92.1(%)

예

1-9. 압력

예제 1-7 예제 1-8

2019-09-02

33


1-10. 비체적, 밀도

비체적(v)

정의 : 단위 질량의 물질이차지하는 체적이다.

단위 : Τ𝒎𝟑 𝒌𝒈

밀도(𝝆)

정의 : 단위 체적당의 물질의 질량이다.

단위 : Τ𝒌𝒈 𝒎𝟑

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34


𝑣 =𝑉

𝑚𝑉 : 물질이 차지하는 체적𝑚 : 물질의 질량𝑣 : 비체적

𝜌 =𝑚

𝑉=

1

𝑣

𝑉 : 물질이 차지하는 체적𝑚 : 물질의 질량𝜌 : 밀도

(참고) 𝑣 =𝑉

𝑚=

1𝑚

𝑉

=1

𝜌

1-10. 비체적, 밀도

비중량(𝛾)

정의 : 단위 체적당의 중량이다.

단위 : Τ𝒌𝒈𝒇 𝒎𝟑

비중(S)

정의 : 어떤 물질의 질량과,이것과 같은 부피를 가진표준물질의 질량과의 비율이다.

표준물질

액체의 경우

1 기압 하의 4(°C) 물

기체의 경우

21(°C) 공기

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𝛾 =𝐺

𝑉=

𝑚∙𝑔

𝑉= 𝜌 ∙ 𝑔

𝑉 : 물질이 차지하는 체적𝐺 : 물질의 중량𝛾 : 비중량

𝑆 =𝑚

𝑚𝑤

1-10. 비체적, 밀도


36

예제 1-9

1-11. 일 및 에너지

일(W)

정의 : 어떤 물체에 힘 F가작용하여 변위 s를 일으켰을 때, 힘과 힘이 작용한 방향으로의 변위의 곱이다.

단위 : 줄(J)

1(J)=1(N∙m)

즉, 1J은 1N의 힘을 작용하여 그 방향으로 물체를 1m만큼 움직일 때의 일이다.

힘(F)

정의 : 물체의 운동상태를변화시키거나 형태를 변화시키는 작용

단위 : 뉴턴(N)

1(N)=1(kg∙m/s2)

즉 , 질량 1(kg)인 물체를1(m/s2)으로 가속하는 힘

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37


𝑾 = 𝑭 × (𝒔 ∙ 𝒄𝒐𝒔𝜽)

1-11. 일 및 에너지

에너지

정의 : 일을 할 수 있는 능력이다.

단위 : 줄(J)

즉, 에너지의 양은 한 일의크기로 나타내며 , 따라서일과 단위가 같다.

위치에너지(𝑬𝒑)

운동에너지(𝑬𝒌)

이 둘을 기계적 에너지라 함.

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38


움직이는 물체는 다른 물체를 움직일 수 있다(운동에너지).

높은 곳에 있는 물체는 다른 물체를 움직일 수 있다(위치에너지).

𝑬𝒑 = 𝒎𝒈𝒛 𝑧 : 기준면으로부터의 높이𝑔 : 중력가속도𝑚 : 질량

𝑬𝒌 =𝟏

𝟐𝒎𝒘𝟐 𝑤 : 물체의 속도

𝑚 : 질량

1-11. 일 및 에너지

예제 1-10 예제 1-11

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39


1-12. 동력


40

동력

정의 : 단위 시간 동안에 행하는 일의 양을 말한다.

단위 시간 동안에 얼마나 많은 일을 하는지를 나타내므로 『일의 능률』을 나타내며, 『공률』 또는 『일률』이라고도 한다.

단위 : 와트(W)

1(W)=1(J/s)

즉, 1(W)는 1(s) 동안에 1(J)의 일을 할 때의 동력이다.

마력

1 𝐻𝑃 = 76( Τ𝑘𝑔 ∙ 𝑚 𝑠)

※ 76𝑘𝑔∙𝑚

𝑠= 76

𝑘𝑔∙𝑚

𝑠∙

1 𝑙𝑏

0.4536 𝑘𝑔∙

1 𝑖𝑛

0.0254 𝑚∙1 𝑓𝑡

12 𝑖𝑛= 550( Τ𝑓𝑡 ∙ 𝑙𝑏 𝑠)

1-12. 동력

예제 1-12 예제 1-13

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1-13. 동작물질과 계


42

동작물질(working substances)

열을 공급받아 일을 하거나(열기관), 온도가 낮은 곳의 열을 온도가높은 곳으로 이동시키는(냉동기) 경우에 매개물질이 필요

이 매개물질을 『동작물질(작업유체, 작동유체)』라고 한다.



43

계(system)

일정량의 물질의 집합체를 『계』라고 정의하며,

필요한 목적에 따라 다른 부분(주위)과 따로 분리하여 취급

계(system)

주위 (surroundings)

경계 (boundary)



44

피스톤

실린더

배기밸브흡기밸브

동작물질, 계의 예:

부호 규칙

주위

주위주위

주위

경계

계

동작물질

+𝒒 −𝒒

−𝒘+𝒘

공급열량 방출열량

팽창일 압축일



45

관심 상태량 작동물질의 온도, 부피, 압력

계의 유형 개방계(유동계)

동작물질이 계와 주위 사이에 이동 예 : 펌프, 터빈 등

밀폐계 동작물질이 계 외부로 이동 못함

예 : 피스톤 등

고립계 경계를 통한 물질, 에너지 이동 없음

※ 둘 모두 계에 일이나 열이 공급되거나외부로 전달되는 등 에너지의 이동이가능하다.

개방계 밀폐계

<유동과정> <비유동과정>

1-14. 상태변화


46

상태량

어떤 계의 온도, 압력, 체적 등을 말함

일, 열 등은 상태량에 해당하지 않음

상태방정식

𝑽 = 𝒇 𝒑, 𝑻 , 𝒑 = 𝒇𝟏(𝑻, 𝑽), 𝑻 = 𝒇𝟐(𝒑, 𝑽)

상태량 사이에는 몇몇의 상태량 값에 따라 다른 상태량이 결정될 수 있다.

이 관계를 식으로 표현한 것을 『상태방정식』이라고 부른다.

상태의 변화

열평형A 열평형계

열계

열평형B계

다른 평형상태

이 변화를 『과정』이라고하며, 변화 이전의 상태와변화 이후의 상태가 일치할 때 『사이클(순환과정)』이라고 한다.

1-15. 국제단위계


47

국제단위계(=SI 단위계)

현장 실무에서는 아직 공학단위계(중력단위계)를 많이 사용



48

SI 조립단위



49

SI 접두어

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