열역학과 열전달 : 공학에서의 열역학 기본 이해

열역학과 열전달은 물리학과 공학의 중요한 분야로, 우리 일상과 밀접한 관련이 있습니다. 이 블로그 글에서는 열역학의 기본 원리와 열전달의 다양한 형태를 탐구하고, 이러한 개념이 어떻게 현실 세계에 적용되는지 살펴보겠습니다.

공학에서의 열역학 기본 이해

열역학의 기본

열역학은 에너지의 변환과 물질의 성질에 대한 과학입니다. 이 분야는 네 가지 주요 법칙에 의해 정의됩니다.

 

제1법칙: 에너지 보존 법칙

제1법칙, 즉 에너지 보존 법칙은 에너지가 창조되거나 소멸되지 않고, 다만 다른 형태로 변환될 수 있다는 원리를 말합니다. 예를 들어, 열기구가 상승하는 원리는 화염으로 인해 발생하는 열 에너지가 기구 내 공기를 가열하고, 이로 인해 공기가 팽창하여 부력을 발생시키는 것입니다. 이는 전기 에너지가 열 에너지로 변환되는 과정의 한 예시입니다.

 

제2법칙: 엔트로피 증가 법칙

제2법칙은 열은 스스로 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하지 않는다는 원리를 말합니다. 예를 들어, 냉장고는 외부의 열기를 내부로 이동시키는 역방향 과정을 사용하여 식품을 차갑게 유지합니다. 이는 외부로 열을 배출함으로써 내부를 냉각시키는 방식으로 작동합니다.

 

제3법칙: 절대 영도에 대한 법칙

제3법칙은 온도가 절대 영도(-273.15°C)에 도달하면 모든 분자 운동이 멈춘다는 것을 말합니다. 이는 이론적인 한계로, 실제로 이 온도에 도달하는 것은 불가능합니다. 이 법칙은 저온 물리학과 초전도체 연구에 중요한 기초를 제공합니다.

 

영법칙: 열평형

영법칙은 두 물체가 열적으로 평형 상태에 있을 때, 이들 사이에는 열의 이동이 없다는 것을 말합니다. 이 법칙은 열역학의 기본 개념으로, 다른 법칙들의 기반이 됩니다. 예를 들어, 커피잔이 방 온도와 같아질 때까지 열이 방출되는 것이 이 법칙의 일반적인 예입니다.

 

열전달의 유형

열전달은 열이 한 곳에서 다른 곳으로 이동하는 과정을 말합니다. 세 가지 주요 형태가 있습니다.

 

전도

전도는 분자 간의 직접적인 충돌을 통해 열이 이동하는 현상입니다. 예를 들어, 뜨거운 물체를 만졌을 때 열이 손으로 전달되는 것이 전도의 예입니다. 이는 고체 내에서 주로 발생하는 현상으로, 금속과 같은 도체에서 더 효율적으로 일어납니다.

 

대류

대류는 유체(액체 또는 기체)의 움직임에 의해 열이 이동하는 과정입니다. 예를 들어, 난방된 공기가 방 안을 순환하는 것은 대류의 한 형태입니다. 이는 온난한 공기가 상승하고 차가운 공기가 하강하는 대류 순환을 통해 일어납니다.

 

복사

복사는 열이 전자기파의 형태로 공간을 통해 이동하는 과정입니다. 태양으로부터 지구로 열이 전달되는 것이 복사의 좋은 예입니다. 이는 물체가 직접 접촉하거나 매체를 통해 이동하지 않고도 열을 전달할 수 있음을 보여줍니다.

 

실생활에서의 응용

열역학과 열전달의 원리는 건물의 난방 및 냉방 시스템 설계, 자동차 엔진의 효율 개선, 전자기기의 냉각 시스템 설계 등 다양한 분야에 적용됩니다. 예를 들어, 열교환기의 설계, 태양열 발전 시스템의 최적화, 또는 천연 가스 파이프라인의 온도 관리 등에 이 원리들이 활용됩니다.

 

반응형

 

 

열역학과 열전달의 이해는 우리가 에너지를 보다 효율적으로 사용하고, 환경을 보호하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 분야의 지속적인 연구와 기술 개발은 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 기여를 하고 있습니다.

 

공학적 열전달

▶비율과 크기

비율에 대한 문제 - 온도차가 주어진 시스템에서 열전달률을 구하는 것

크기에 대한 문제 - 온도차와 열전달률이 정해졌을 때. 시스템의 크기를 결정하는 것

 

▶실험적 접근, 해석적 접근

실험적인 접근 - 실제 시스템을 다루고, 또한 실험오차 범위 내에서는 측정한 것, 경비와 시 간이 많이 소모, 시스템이 실제로는 없는 경우도 있음

해석적인 접근(수치해석 포함) - 빠르고 가격이 싼 점이 유리, 결과는 해석을 위한 가정과

관념화에 따라 정확도에 많은 차이가 있음

 

열과 다른 형태의 에너지

▶총에너지 E (total energy E, 단위질량당은 e )

-에너지는 열, 기계, 운동, 위치, 전기, 자기, 화학, 핵 등 여러 형태로 존재하며 이들의 합

▶내부에너지 (internal energy U, 단위질량당은 u)

-시스템의 분자구조와 분자의 활동정도에 관계되는 에너지를 미시적 에너지라고 하는데 이 미시적 에너지의 총합             내부 에너지=분자의 (운동에너지+위치에너지)

▶현열에너지(sensible energy) or 현열(sensible heat)

-분자의 운동에너지와 관계되는 시스템의 내부에너지

▶잠열에너지(latent energy) or 잠열(latent heat)

-분자 상호간의 상변화 과정이 있는데 이때, 시스템의 상과 관련되는 내부에너지

▶화학에너지(chemical energy)

-분자를 구성하는 원자의 구속력과 관련되는 내부에너지

▶핵에너지(nuclear energy)

-원자의 핵을 구속하는 내부에너지

▶엔탈피(enthalpy) h - h=u+pv

-pv항은 유체의 유동에너지로서 유체를 밀어내어 유동을 유지하는데 필요한 에너지

기체, 액체, 고체의 비열

▶이상기체방정식Pv= RT 또는  P=ρRT(P-절대압력, v-절대온도, ρ-밀도, R-기체상수)

▶비열(specific heat) - 단위질량의 물체의 온도를 1℃증가시키는 데 필요한 에너지

▷정적비열(specific heat at constant volume, Cv)

-일정한 체적에서 단위질량의 물체 온도를 1℃ 증가시키는 데 필요한 에너지

▷정압비열(specific heat at constant pressure, Cp)

-일정한 압력에서 단위질량의 물체 온도를 1℃ 증가시키는 데 필요한 에너지

▷정압비열과 정적비열의 비교

Cp 〉 Cv  ,  Cp = Cv+R

▶이상기체의 내부에너지와 엔탈피

du = CvdT                       dh = CpdT

Δu = Cv, ave ΔT             Δh = Cp, aveΔT            (J/kg)

ΔU= mCv, aveΔT            ΔH= mCp, aveΔT         (J)

▶비압축성 물질(incompressible substance)

-비체적(또는 밀도)이 온도나 압력에 따라 전하지 않는 물질 비압축성의 경우 정적비열=정압비열

ΔU= mCaveΔT        ( Cave 는 평균온도에서 산출한 비열)

 

에너지 전달

-에너지는 열과 일의 형태로 전달된다.

▶동력(power) - 단위시간당 일

▶열(heat)-일상생활에서 우리들은 체감에너지나 잠열 형태의 내부에너지

▶열에너지(thermal energy) - 물체가 열을 보유하고 있는 형태

▶열전달률(heat transfer rate) - 단위 시간에 전달된 열 Q 율로 표시함

 

마무리

열역학과 열전달의 이해는 우리가 에너지를 보다 효율적으로 사용하고, 환경을 보호하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 분야의 지속적인 연구와 기술 개발은 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 기여를 하고 있습니다.

 

 

 

 

열해석 및 방열 설계의 필요성

가공 공차의 기입 및 설계 방법