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열역학 통합과정
김정수 교수
경북대학교 대학원 기계공학과 석사과정
경북대학교 대학원 기계공학과 박사졸업
경북대학교 대학원 기계공학과 석사과정
경북대학교 대학원 기계공학과 박사졸업
경북대학교
단국대학교
대구보건대학교
현) 유니와이즈 전임교수
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총 18개 챕터, 66강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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[1강] 오리엔테이션
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열역학 개론 및 핵심 개념
• 열역학 기본 개념: 열, 일, 물질의 상태량 간 에너지 상호작용 및 전환 효율성을 다루는 학문 원리 정리 • 열역학 법칙: 에너지 보존(1법칙), 엔트로피 증가(2법칙), 절대영도(3법칙) 등 열역학의 근본 원리 학습 • 열역학 시스템 및 사이클: 밀폐계·개방계 분류 및 표준 가스·증기·냉동 사이클을 통한 실제 기관 작동 원리 이해 |
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| 1장. 열역학의 기본 개념 | ||
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[2강] 개요 및 기본개념 (1)
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열역학 개요 및 기본 개념
• 열역학 기본 원리: 에너지 보존(제1법칙) 및 질적 변화(제2법칙)를 통해 열, 일, 물질의 상태량 관계 분석. • 물리량 차원과 단위: 질량, 길이 등 기본 차원과 SI/영국 단위계 정의 및 힘, 중량, 일, 일률 단위 적용. • 열역학적 계 정의: 계, 주위, 경계 개념 및 밀폐계, 개방계(검사체적) 분류로 에너지/물질 전달 분석. |
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[3강] 개요 및 기본개념 (2)
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열역학 개요 및 기본 개념: 상태량, 밀도, 평형, 상태가설
• 상태량 및 분류: 계의 특성을 나타내는 압력, 온도 등으로, 강도성·종량성·비상태량으로 분류하며 연속체 가정하에 점함수(상태량)와 경로함수(열/일) 개념 이해. • 밀도와 비중: 단위 체적당 질량(밀도), 단위 질량당 체적(비체적), 물 밀도 대비 물질 밀도(비중), 단위 체적당 중량(비중량) 등 핵심 물리량 정의. • 상태, 평형, 상태가설: 시스템의 고유한 상태를 정의하며, 열적·역학적·상·화학적 평형의 네 가지 조건과 시스템 정의에 필요한 최소 독립 상태량 수(상태가설)를 파악. |
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[4강] 개요 및 기본개념 (3)
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열역학 과정, 온도, 압력 기본 개념
* 열역학 과정: 시스템 평형 상태 변화 원리, 준평형/등온/정압/정적 과정 및 사이클 개념과 유형 이해. * 온도와 열역학 제0법칙: 열적 평형 기반 온도 개념, 섭씨·화씨·켈빈·랭킨 온도 척도 및 상호 변환 원리 분석. * 압력 정의 및 종류: 단위 면적당 힘의 원리, 절대압·계기압·진공압 종류 및 유체 내 압력 변화(파스칼의 법칙) 적용. |
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| 2장. 에너지, 일 및 에너지 분석 | ||
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[5강] 에너지, 일 및 에너지 분석 (1)
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열역학 에너지, 일 및 에너지 분석 개념
* 열역학 에너지 개념: 거시적(운동, 위치) 및 미시적(내부) 형태로 총에너지가 구성되며, 정지계의 에너지 변화는 내부에너지 변화와 동일함. * 내부에너지: 분자 운동(현열) 및 상변화(잠열) 관련 미시적 에너지로, 화학·핵에너지와 함께 정적 에너지에 해당함. * 에너지 전달: 온도차에 의한 열(heat) 및 일(work)의 형태로 계 경계를 통과하며, 단열과정은 열전달이 없는 상태로 정의됨. |
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[6강] 에너지, 일 및 에너지 분석 (2)
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에너지, 일 및 에너지 분석 (2)
• 열역학 제1법칙: 에너지는 보존되며 형태만 변환되는 원리로, 열과 일은 계의 경계를 통한 주요 에너지 전달 방식임. • 일의 개념 및 유형: 경계 이동과 힘 작용에 의한 에너지 전달을 정의하며, 전기일, 축일, 스프링일 등 다양한 역학적/비역학적 일의 계산 원리. • 에너지 평형: 계의 총 에너지 변화를 열, 일, 질량 유동 간의 관계로 분석하여 열역학 제1법칙을 적용하는 핵심 방법론. |
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[7강] 에너지, 일 및 에너지 분석 (3)
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에너지 변환 효율 및 환경 영향
• 에너지 변환 효율: 투입 대비 출력 비율 정의, 연소·기계·전기 장치 및 복합 시스템의 효율 계산과 감소 원리 분석. • 발열량 개념: 연료의 고위·저위 발열량 구분 기준 이해, 펌프·터빈 등 주요 장치의 효율 정의 및 계산 방법 학습. • 환경 문제와 효율: 화석연료 연소로 인한 대기 오염(스모그, 산성비) 및 지구온난화 원인 파악, 에너지 효율 향상을 통한 환경 개선 방안 고찰. |
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| 3장. 순수물질의 상태량 | ||
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[8강] 순수물질의 상태량 (1)
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순수물질의 상태량 개요 및 상변화 과정
* 순수물질 개념: 내부 화학적 조성이 균일한 물질 정의 및 고체·액체·기체 상의 특징 분류 * 상변화 과정: 압축액, 포화액, 포화증기, 과열증기 단계와 포화온도, 포화압력, 잠열의 핵심 역할 및 관계 * 상태량 선도: T-v, P-v, P-T 선도를 활용한 상변화 양상 시각화 및 임계점·삼중점 분석 |
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[9강] 순수물질의 상태량 (2)
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순수물질의 상태량 표 활용
• 순수물질 상태량 표: 엔탈피($h = u + Pv$), 건도($x = m_{vapor} / m_{total}$) 등 물질의 열역학적 상태를 정량화하는 자료 기반. • 순수물질 상태 영역: 포화액, 포화증기, 포화액-증기 혼합물, 과열증기, 압축액의 특성 및 영역별 상태량 결정 원리 학습. • 상태량 결정 방법: 정확한 상태 영역 판단 후 적합한 상태량 표 선정, 선형 보간법 및 압축액 근사를 통한 미지 상태량 계산. |
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[10강] 순수물질의 상태량 (3)
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순수물질 상태량 이상기체 상태방정식
• 이상기체 상태방정식: Pv=RT로 기체의 P-v-T 관계를 설명하며, 저압·고온에서 실제 기체 거동 예측. • 압축성인자(Z): Pv/RT로 이상기체 이탈 정도를 정량화하며, 환산압력 및 환산온도 기반 일반화된 압축성 도표로 통합 분석. • Van der Waals 등 기타 상태방정식: 분자 간 인력 및 체적을 반영하여 이상기체 모델의 한계를 보완, 실제 기체 P-v-T 거동 정밀 예측. |
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| 4장. 밀폐계의 에너지 해석 | ||
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[11강] 밀폐계의 에너지 해석 (1)
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밀폐계 에너지 해석(1): 이동 경계일과 에너지 평형
• 밀폐계 에너지 해석: 열역학 제1법칙 기반, 이동 경계일(P-V 선도 면적)은 경로 함수로 정의되며 정적 과정에서는 경계일 0. • 에너지 평형: 폴리트로픽 과정($PV^n=C$)으로 경계일 계산, 정압 과정에서 엔탈피($H=U+PV$) 변화로 열전달량 파악. • 물질 상태량 결정: 과냉액, 포화 혼합액, 과열증기 상태 판별을 통해 내부에너지 및 엔탈피 변화량 계산. |
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[12강] 밀폐계의 에너지 해석 (2)
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열역학 밀폐계 이상기체 비열 및 에너지 해석
• 비열 개념: 물질의 에너지 저장 능력을 나타내는 상태량으로, 정적비열($C_v$)과 정압비열($C_p$)로 구분되며 팽창일로 인해 $C_p > C_v$ 관계를 가짐. • 이상기체 특성: 내부에너지 및 엔탈피가 온도만의 함수임을 기반으로 $C_p=C_v+R$ 및 비열비($k=C_p/C_v$) 관계식을 형성하여 상태 변화를 해석. • 이상기체 에너지 계산: 내부에너지 및 엔탈피 변화는 수표, $C_v/C_p$ 함수 적분, 평균 비열 세 가지 방법으로 계산하여 열역학 문제 해결에 적용. |
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[13강] 밀폐계의 에너지 해석 (3)
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밀폐계 에너지 해석: 고체 및 액체의 비열, 내부에너지, 엔탈피
* 비압축성 물질 정의: 비체적 및 밀도 일정한 고체·액체로, 정적비열과 정압비열이 동일한(C) 특성을 가짐. * 내부에너지·엔탈피 변화: 비열($C$)과 온도 변화 기반 계산하며, 액체 엔탈피는 정압·등온·압축액 조건별 적용 방식 상이. * 밀폐계 에너지 해석: 에너지 보존 법칙을 활용하여 고체 및 액체 시스템의 열적 평형, 열전달률, 과정별 에너지 변화 분석. |
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| 5장. 검사체적의 질량 및 에너지 해석 | ||
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[14강] 검사체적의 질량 및 에너지 해석 (1)
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열역학 에너지 해석: 질량 및 정상유동계
• 질량 보존 법칙: 검사체적 내 질량 변화율을 정의하며, 질량유량과 체적유량을 통해 개방계 유동의 양적 변화를 정량화. • 엔탈피: 유동일($Pv$)을 통합하여 개방계 유동 유체의 총 에너지($h+V^2/2+gz$)를 정의하고, 에너지 수송율을 분석하는 핵심 개념. • 정상유동계 에너지 평형: 시간 불변 조건에서 질량 및 에너지 평형 방정식을 적용하여 터빈, 노즐 등 공학 장치를 분석하는 원리. |
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[15강] 검사체적의 질량 및 에너지 해석 (2)
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정상유동 장치 에너지 해석
• 정상유동 장치 개념: 시간에 따른 상태량 변화 없는 장치로, 열역학적 에너지 해석의 기본 원리 및 가정 적용. • 노즐, 디퓨저: 유체 압력-속도 변환 장치로, 열전달·일 무시 가정 하 운동 에너지 변화 고려. • 터빈, 압축기: 유체 에너지로 일 수행 또는 일 공급받아 압력 변화 유도하며, 엔탈피, 운동, 위치 에너지 변화 종합 분석. |
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[16강] 검사체적의 질량 및 에너지 해석 (3)
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정상유동장치 에너지 해석: 교축밸브, 혼합실, 열교환기, 덕트 유동
• 정상유동장치 에너지 해석: 교축밸브, 혼합실, 열교환기, 파이프/덕트 유동의 열역학적 가정 및 기본 원리 분석 • 교축밸브는 등엔탈피 과정으로 압력강하 및 온도변화를 유발하며, 혼합실은 질량 및 에너지 보존 법칙을 적용 • 열교환기는 유체 혼합 없이 열을 전달하고, 파이프/덕트 유동은 열전달, 일, 운동/위치에너지 변화를 고려한 에너지식을 적용 |
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[17강] 검사체적의 질량 및 에너지 해석 (4)
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비정상유동과정 에너지 해석
• 비정상유동과정: 검사체적 내 질량·에너지 변동을 고려하는 열역학적 에너지 해석 원리. • 균일유동과정: 복잡한 비정상유동 해석 간소화를 위한 입출구 유동의 균일·정상 상태 이상화 가정. • 질량 및 에너지 평형: 검사체적의 초기·최종 상태량 및 유입/유출 변화를 통한 시스템 거동 정량화. |
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| 6장. 열역학 제2법칙 | ||
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[18강] 열역학 제2법칙 (1)
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열역학 제2법칙, 열에너지 저장조 및 열기관
• 열역학 제2법칙: 에너지 변환의 자연적 방향성 및 질적 특성을 규명하고, 열기관의 성능 한계를 제시. • 열에너지 저장조 및 열기관: 온도를 일정하게 유지하는 가상 열원(저장조)과 열을 일로 변환하는 순환 장치(열기관)의 작동 원리 이해. • 열효율: 열기관의 성능을 측정하는 척도로, 받은 열 전부를 일로 변환 불가능하다는 Kelvin-Planck 서술을 통해 이론적 효율 한계 분석. |
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[19강] 열역학 제2법칙 (2)
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열역학 제2법칙: 냉동기, 열펌프 및 영구기관
• 열역학 제2법칙 (클라우시우스 서술): 외부 일 투입으로 저온→고온 열을 이동시키는 냉동기, 열펌프의 기본 작동 원리 • 증기압축식 냉동사이클: 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 증발기로 구성되며, 성능 계수(COP)는 기기의 효율 지표 • 에너지 효율 지표 및 영구기관: EER, SEER로 열펌프의 계절 성능을 평가하며, 열역학 법칙을 위반하는 영구기관은 존재 불가능 |
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[20강] 열역학 제2법칙 (3)
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열역학 제2법칙, 가역/비가역 과정, 카르노 사이클 및 효율
• 열역학 제2법칙: 가역 및 비가역 과정의 정의와 비가역성 원인 분석을 통한 실제 시스템의 성능 한계 이해 • 카르노 사이클: 2개 등온·2개 단열 가역과정 구성, 열기관 효율 상한선 및 카르노 원리를 통한 이상적 성능 기준 제시 • 열역학적 온도눈금: 절대온도 기준 카르노 효율 및 냉동/열펌프 성능 계수(COP) 공식 활용, 에너지 품질의 중요성 강조 |
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| 7장. 엔트로피 | ||
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[21강] 엔트로피 (1)
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열역학 엔트로피 개념 및 증가 원리
• 엔트로피 개념: 열역학 제2법칙의 핵심 상태량으로 클라시우스 부등식 기반 정의 및 에너지 효율 분석에 활용. • 엔트로피 증가의 원리: 고립계 엔트로피는 항상 증가하며, 우주 무질서 척도로서 비가역적 과정 방향 결정. • 생성 엔트로피: 비가역성의 정량적 척도로 공학 장치 성능 저하 원인 분석 및 총 엔트로피 변화 이해. |
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[22강] 엔트로피 (2)
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순수물질 엔트로피 변화 및 등엔트로피 과정 해석
* 순수물질 엔트로피: 상태량 정의 및 포화 혼합액, 압축액, 과열 증기 등 다양한 상에서의 엔트로피 계산 원리 및 상태량표 활용법 학습 * 등엔트로피 과정: 내부 가역 단열 조건에서 엔트로피 변화가 없는 이상적 과정으로, 공학 시스템의 효율성 분석 및 성능 평가 기준 이해 * T-S 선도: 열역학 과정의 열전달량 시각화 및 카르노 사이클 분석, H-S 선도: 터빈, 압축기 등 정상 유동 장치 해석에 활용되는 원리 파악 |
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[23강] 엔트로피 (3)
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엔트로피 미시적 특성 및 Tds 관계식
• 엔트로피 미시적 특성: 분자의 무질서도 척도로, 열역학 제3법칙을 통해 절대 영도 기준점 확립. • 일과 열의 엔트로피 관계: 일은 조직화된 에너지로 엔트로피 전달이 없으나, 열은 비조직화된 에너지로 엔트로피 증가 유발. • Tds 관계식 및 적용: 상태량 기반의 제1 ($dU+PdV$), 제2 ($dh-vdP$) Tds 방정식으로 엔트로피 변화 분석; 고체 및 액체는 비압축성 가정하에 온도 함수로 계산. |
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[24강] 엔트로피 (4)
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이상기체 엔트로피 변화 및 등엔트로피 과정
• 이상기체 엔트로피 변화: 상수 및 변수 비열 가정 기반의 변화식 유도 및 계산 원리 분석 • 이상기체 등엔트로피 과정: 가역 단열 조건 하의 온도-압력-비체적 관계식과 적용 조건 이해 • 상대 압력 및 상대 비체적: 반복 계산 효율화를 위한 온도만의 함수 정의 및 상태량 표 활용법 |
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[25강] 엔트로피 (5)
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가역 정상유동 일 및 압축기 일 최소화
• 가역 정상유동 일: 개방계 유동에서 비체적($v$) 변화에 따른 일 생산/소비 원리로, 비체적 최소화가 압축기 일량 감소에 핵심. • 압축기 일 최소화: 내부 가역 압축 과정 중 냉각을 통해 비체적을 줄여, 등온 압축이 최소 일량을 요구하는 효율적 압축 원리. • 다단 압축과 중간 냉각: 다단 압축 시스템에서 각 단 압력비($P_x = \sqrt{P_1 P_2}$)를 동일하게 설정하여 전체 압축기 입력일을 최소화하는 최적화 기법. |
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[26강] 엔트로피 (6)
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정상유동장치 등엔트로피 효율 및 엔트로피 평형
• 정상유동장치 등엔트로피 효율: 터빈, 압축기/펌프, 노즐 등 정상유동장치의 실제 성능을 이상적 등엔트로피 과정과 비교, 각 장치 목적에 따라 정의하여 평가. • 엔트로피 개념 및 전달: 엔트로피는 파괴될 수 없는 상태량으로, 열전달 및 질량유동에 의해 전달되며 일에 의해서는 전달되지 않는 무질서도 척도. • 엔트로피 평형 및 생성: 계의 엔트로피 변화는 엔트로피 전달과 비가역성에 의한 엔트로피 생성의 합으로 밀폐계 및 검사체적에서 평형 방정식으로 분석. |
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| 8장. 엑서지 | ||
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[27강] 엑서지 (1)
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열역학 엑서지 개념, 가역일과 비가역성, 활용 예시
* 엑서지 개념: 에너지의 유용성(work potential)을 평가하는 상태량으로, 시스템과 주위로부터 얻을 수 있는 최대 유용일 정의. * 가역일과 비가역성: 사장상태, 유용일, 엑서지 파괴(비가역성) 개념을 통해 공학 장치 성능 분석 및 개선. * 엑서지 계산 및 활용: 운동/위치에너지는 전량 엑서지, 열에너지는 가역기관 효율 적용하여 효율성 평가 및 최적화. |
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[28강] 엑서지 (2)
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열역학 제2법칙 효율 및 계의 엑서지 변화
* 열역학 제2법칙 효율: 실제 시스템 성능을 가역 과정과 비교 평가하는 척도로, 엑서지 관점에서 유용성 기반으로 정의. * 엑서지: 계가 환경과 평형 시 생산 가능한 최대 유용한 일이며, 밀폐계 엑서지와 유동 엑서지로 분류되어 계산. * 밀폐계·유동 엑서지 계산: 내부에너지/엔탈피 및 엔트로피 변화 기반으로 시스템의 유용성 파괴를 정량화하고 최적화 방향 제시. |
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[29강] 엑서지 (3)
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열역학 엑서지 전달 및 감소 원리
• 엑서지 전달: 유용한 일 능력을 정의하며, 열(카르노 효율), 일(주변 일 제외), 질량(엔탈피, 엔트로피 포함) 유량으로 전달되는 원리. • 엑서지 감소 원리: 엑서지는 생성 불가, 파괴만 가능하며, 고립계의 엑서지는 비가역성에 의해 항상 감소. • 엑서지 파괴 관계: 비가역성에 의해 발생하며, 파괴된 엑서지량은 사장 상태 온도와 생성된 엔트로피($X_{destroyed} = T_0 S_{gen}$)에 비례하여 산정. |
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[30강] 엑서지 (4)
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밀폐계 엑서지 평형식 유도 및 적용
• 엑서지 평형식: 밀폐계의 엑서지 변화를 엑서지 전달량과 비가역성으로 인한 엑서지 파괴의 합으로, 에너지 및 엔트로피 평형식에서 유도. • 엑서지 파괴($X_{destroyed}$): 시스템 내부 비가역성(엔트로피 생성)으로 발생하는 유용 일 손실이며, $T_0 S_{gen}$으로 계산하여 가역일과 제2법칙 효율 분석에 활용. • 확장된 계 및 사정상태: 시스템과 인접 주위를 포함한 확장된 계 개념과 기준점인 사정상태를 통해 시스템 성능 분석 및 실제 적용 예제를 통한 엑서지 계산. |
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[31강] 엑서지 (5)
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엑서지 평형식 및 제2법칙 효율
• 엑서지 평형식: 개방계 및 정상유동계의 열, 일, 질량 유동과 엑서지 파괴를 통합하여 에너지 유용성 변화를 분석. • 가역일 및 제2법칙 효율: 이상적 시스템 대비 실제 장치(터빈, 압축기 등)의 엑서지 파괴를 정량화하고 성능 한계 및 효율성을 평가. • 장치별 제2법칙 효율: 열교환기 및 혼합실 등 다양한 장치에 정의하며, 확장된 계 개념 적용으로 비가역성 진단 및 시스템 최적화 수행. |
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| 9장. 기체동력사이클 | ||
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[32강] 기체동력사이클 (1)
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기체동력사이클의 기본 개념 및 이상화 가정
• 기체동력사이클: 실제 사이클의 복잡성 분석을 위한 이상 사이클 개념, 열효율 및 P-V, T-S 선도 활용 원리 이해 • 카르노사이클 및 공기표준 가정: 열효율의 이론적 상한을 제시하는 카르노사이클 특성과 내연기관 연소 과정을 단순화하는 공기표준 가정 원리 학습 • 왕복기관: 피스톤-실린더 구조, 상사점·하사점·압축비·MEP 등 핵심 용어 및 오토·디젤 사이클을 통한 성능 지표 분석 |
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[33강] 기체동력사이클 (2)
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기체 동력 사이클: 오토 및 디젤 사이클 분석
• 오토사이클: 불꽃점화기관 이상적 사이클로 등엔트로피 압축/팽창, 정적 가열/방열 과정 및 압축비·비열비에 따른 열효율 분석. • 디젤사이클: 압축착화기관 이상적 사이클로 등엔트로피 압축/팽창, 정압 가열, 정적 방열 과정 및 압축비·차단비에 따른 열효율 분석. • 사이클 유형 및 효율 비교: 4행정/2행정 기관 구조, 오토/디젤 사이클 작동 방식 차이 및 고압축비 한계 (노킹 현상) 이해. |
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[34강] 기체동력사이클 (3)
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열역학 기체동력사이클 스털링, 에릭슨, 브레이튼
• 스털링/에릭슨사이클: 등온 및 재생 과정을 통해 카르노사이클과 동일한 최대 이론적 열효율을 달성하는 완전 가역 기체동력사이클 원리. • 브레이튼사이클: 가스터빈 이상 사이클의 등엔트로피 압축/팽창 및 정압 과정 구성, 압력비와 비열비에 따른 열효율 및 실제 사이클 비가역성 분석. • 재생 브레이튼사이클: 터빈 배기가스 잔열을 활용한 재생기 도입을 통한 열효율 향상 방안과 유용도($\varepsilon$) 개념 이해. |
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[35강] 기체동력사이클 (4)
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기체동력사이클: 브레이튼 사이클, 제트 추진, 제2법칙 해석
• 브레이튼 사이클 최적화: 중간 냉각, 재열, 재생 과정을 통한 정미일 및 열효율 개선 원리 • 제트 추진 사이클: 터보제트 기관의 추력 생성 원리 및 추진 효율 계산 방식 • 기체동력사이클 제2법칙 해석: 엑서지 파괴와 제2법칙 효율을 통한 사이클 성능 분석 |
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| 10장. 증기동력 및 복학동력 사이클 | ||
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[36강] 증기동력 및 복학동력 사이클 (1)
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증기동력 및 복합동력 사이클 개념완성
• 카르노 증기사이클: 비현실적 문제점 분석을 통해 증기동력 시스템 표준 사이클 불가능성 이해. • 랭킨사이클: 이상적 증기동력 사이클의 4가지 구성 과정 및 각 장치별 에너지 해석 방법 학습. • 실제 증기사이클 최적화: 비가역성 요소에 의한 효율 감소 원인 파악 및 등엔트로피 효율, 열병합/복합 사이클을 통한 성능 향상 전략 모색. |
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[37강] 증기동력 및 복학동력 사이클 (2)
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랭킨사이클 효율 향상 방법 및 응용 사이클 분석
* 랭킨사이클 효율 향상 방법: 응축기 압력 저하, 고온 과열, 보일러 압력 증가로 열효율을 높이지만, 건도 감소 및 재료 한계 제약이 따름. * 재열 랭킨사이클: 터빈 중간 단계 재열로 증기 건도를 개선하고 효율을 향상하며, 재생 랭킨사이클은 터빈 추출 증기로 급수를 예열하여 사이클 효율 증대 및 탈기 기능 제공. * 급수가열기 유형: 개방형은 증기-급수 직접 혼합 방식으로 간결하나 펌프 필요, 밀폐형은 간접 열전달 방식이나 복잡하며, 트랩 교축은 등엔탈피 과정. |
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[38강] 증기동력 및 복학동력 사이클 (3)
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증기동력 및 복합동력 사이클의 열역학적 분석
* **증기동력사이클 분석**: 열역학 제2법칙을 통해 엑서지 파괴 원인과 효율 개선 방안을 규명합니다. * **열병합 발전**: 단일 에너지원에서 전력과 공정열을 동시에 생산하여 에너지 활용도를 극대화하는 방식입니다. * **기체-증기 복합동력사이클**: 가스 터빈 배기가스를 증기 터빈의 열원으로 활용하여 개별 사이클 대비 열효율을 대폭 향상시키는 통합 시스템입니다. |
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| 11장. 냉동사이클 | ||
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[39강] 냉동사이클 (1)
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냉동사이클 핵심 개념 및 증기압축 사이클 분석
• 냉동사이클 개념: 저온 냉각 및 고온 난방을 위한 열 이동 시스템으로, 성능 척도는 성능계수(COP)와 냉동톤. • 역카르노사이클: 이론적 최대 효율을 제공하나, 기체-액체 혼합물 압축 및 팽창 한계로 실제 구현이 불가능한 이상 사이클. • 증기압축 냉동사이클: 압축, 응축, 교축, 증발의 4가지 과정으로 구성되며, 실제 사이클은 유체 마찰 및 열전달 등 비가역성으로 효율 손실 발생. |
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[40강] 냉동사이클 (2)
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증기압축식 냉동사이클 제2법칙 해석 및 냉매 선택
• 증기압축식 냉동사이클 제2법칙 해석: 엑서지 파괴 분석 및 시스템 효율 개선 방안 제시 • 냉동사이클 구성요소별 엑서지 분석: 팽창밸브 등 각 요소의 엑서지 손실과 제2법칙 효율 평가 • 냉매 선택 기준: 열역학적 특성, 환경 영향, 안전성, 경제성을 고려한 최적 냉매 선정 원리 |
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[41강] 냉동사이클 (3)
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냉동사이클 심화: 열펌프, 캐스케이드, 다단 압축 및 기체 액화
• 열펌프: 냉동기와 동일 부품으로 사이클 역전시켜 저열원 열을 고열원으로 이동, 수/지열원 활용 시 성능계수 최적화. • 캐스케이드/다단 압축 냉동: 넓은 온도 범위 커버를 위해 열교환기, 기액 분리기 및 혼합실을 활용, 압축일 감소 및 성능계수 향상. • 다목적 냉동/기체 액화: 단일 압축기와 다중 증발기로 복수 냉동 온도 구현, Linde-Hampson 사이클로 극저온 기체 액화 기술 적용. |
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[42강] 냉동사이클 (4)
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냉동사이클 (4): 기체 및 흡수식 냉동사이클
• 기체 냉동사이클: 역 브레이튼 사이클 기반, 비등온 열전달을 통한 냉동 유발 및 항공기·극저온 분야 적용 • 흡수식 냉동사이클: 저등급 열에너지원을 활용, 냉매와 흡수제의 상호작용으로 냉동을 발생시키는 복합 시스템 • 성능계수(COP) 산정: 기체 사이클은 압력비, 흡수식은 열원·주위·냉동실 온도에 따라 결정되는 효율 지표 |
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| 12장. 열역학의 일반 관계식 | ||
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[43강] 열역학의 일반 관계식 (1)
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열역학의 일반 관계식: 수학적 기초 및 Maxwell 관계식
• 열역학 일반 관계식: 측정 불가능한 상태량을 측정 가능한 P, v, T로 표현하는 수학적 기초 및 원리. • 편미분 및 전미분: 열역학적 점함수 특성을 이해하는 수학적 개념, 완전 미분 조건, 상반/순환 관계식. • Maxwell 관계식: Gibbs 식 기반 엔트로피 및 상태량 간 상호 관계 유도, Clapeyron 방정식 등 응용. |
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[44강] 열역학의 일반 관계식 (2)
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열역학의 일반 관계식 (2)
• Clapeyron 방정식: Maxwell 관계식 기반 P, v, T로부터 상변화 엔탈피(증발/승화엔탈피) 계산 원리 요약. • 상태량 변화 관계식: 상태의 원리에 따라 내부에너지(du), 엔탈피(dh), 엔트로피(ds) 변화의 일반 관계식을 유도. • 비열($C_v, C_p$) 관계: Cv, Cp의 일반 관계식 및 Mayer 관계식을 통해 비열 간 차이($C_p \ge C_v$)와 물질 특성 분석. |
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[45강] 열역학의 일반 관계식 (3)
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열역학의 일반 관계식 (3): Joule-Thomson 계수와 실제 기체
* Joule-Thomson 계수: 교축 과정 중 유체의 온도 변화를 예측하는 척도, 역전곡선과 냉각 효과 발생 조건을 정의. * 실제 기체 상태량 변화: 엔탈피, 내부에너지, 엔트로피 변화를 압축성 인자(Z) 및 엔탈피/엔트로피 이탈 인자(Zh, Zs)로 계산. * 일반화 도표 활용: 환산 온도(TR)·압력(PR) 기반의 이탈 도표로 실제 기체 거동 및 공정 분석에 적용. |
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| 13장. 기체혼합물 | ||
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[46강] 기체혼합물 (1)
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기체 혼합물 구성 및 P-v-T 관계
• 기체 혼합물 구성: 질량분율·몰분율로 조성 파악, 겉보기 분자량·기체상수로 평균 특성 정의 • 이상기체 혼합물 P-v-T 관계: 몰분율·압력분율·부피분율의 동일성 기반 상태량 예측 • 실제기체 혼합물 P-v-T: Dalton·Amagat 법칙, 압축성 인자 및 Kay 법칙의 가임계 상태량으로 거동 예측 |
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[47강] 기체혼합물 (2)
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기체 혼합물의 상태량 및 엑서지 분석
• 기체 혼합물 상태량: 종량적 상태량은 각 성분 합산, 강성적 상태량은 평균화 기법을 적용해 분석. • 이상/실제 기체 혼합물: 이상기체는 깁스-달턴 및 달턴 법칙, 실제기체는 Kay의 법칙과 가임계 상태량으로 거동 분석. • 엑서지 파괴: 엔트로피 증가와 연관된 유용한 일 능력 손실 현상으로, 혼합 과정에서 발생. |
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| 14장. 기체-증기혼합물과 공기조화 | ||
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[48강] 기체-증기혼합물과 공기조화 (1)
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기체-증기혼합물과 공기조화 개념 및 응용
* 기체-증기 혼합물: 건공기·수증기 구성 대기 개념 및 습도비·상대습도 정의를 통한 공기 중 수분량 정량화. * 이슬점 온도, 단열포화온도, 습구온도: 공기 중 수증기 응축 시작점 및 습도 상태를 간접 측정하는 지표. * 습구공기선도: 공기-수증기 혼합물 상태 분석 도구; 공기조화: 쾌적 환경을 위한 공기 온도·습도 제어 과정. |
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[49강] 기체-증기혼합물과 공기조화 (2)
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기체-증기 혼합물과 공기조화 주요 개념
• 습공기선도: 건구온도, 습도비, 엔탈피 등 공기 상태량 파악 및 다양한 공기조화 과정 시각화 도구 • 공기조화 원리: 인간 쾌적성(온도, 습도, 공기 순환) 유지를 위한 공기 조건 조절과 정상유동 질량·에너지 보존 적용 • 핵심 공기조화 공정: 단순 가열/냉각, 가습 가열, 제습 냉각, 증발 냉각, 단열 혼합 과정의 열역학적 특성 및 계산 방법 |
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[50강] 기체-증기혼합물과 공기조화 (3)
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기체-증기혼합물과 공기조화 (3)
• 기체-증기 혼합물 단열 혼합: 습공기 선도 및 질량/에너지 평형을 활용한 혼합물 상태 분석 • 습식 냉각탑: 증발 냉각 원리를 이용한 폐열 처리 방식과 유도 통풍, 강제 통풍 등 작동 종류 이해 • 냉각탑 시스템 분석: 질량 및 에너지 평형 적용을 통한 건공기 유량 및 보충수 요구량 산출 |
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| 15장. 화학반응 | ||
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[51강] 화학반응 (1)
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화학반응 및 연소 과정의 열역학적 분석
* 화학반응 및 연소 개념: 탄화수소 연료가 공기 중 산화제와 반응하여 에너지 방출, 질량 보존의 법칙 기반 화학 반응식 구성. * 연소 과정 분석 지표: 완전/불완전 연소 정의, 공기연료비, 이론/과잉/결핍 공기, 당량비를 통한 정량적 연소 효율 및 특성 분석. * 실제 연소 해석: 연소가스 조성 분석(Orsat), 습공기 연소 및 이슬점 온도 계산으로 실제 공정 문제점 예측 및 제어. |
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[52강] 화학반응 (2)
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화학반응 엔탈피 및 발열량
• 화학반응 엔탈피: 물질의 상태 및 화학적 조성 변화에 따른 에너지 변화량 측정 및 표준 기준상태 적용. • 형성 엔탈피: 안정된 원소 기준으로 설정된 화학적 조성 엔탈피로, 반응 엔탈피 계산의 핵심. • 발열량: 연료 완전 연소 시 방출되는 에너지로, 생성물 물의 상태에 따라 고위(HHV)와 저위(LHV)로 분류. |
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[53강] 화학반응 (3)
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화학반응계 열역학 제1법칙 해석 및 단열화염온도
• 화학반응계 열역학 제1법칙: 에너지 보존 법칙을 정상유동계와 밀폐계에 적용하여 엔탈피 및 내부 에너지 변화를 분석. • 엔탈피 구성: 표준 형성 엔탈피와 현열 엔탈피를 통해 화학 에너지 변화를 정량화하고 반응물 및 생성물의 총 엔탈피를 계산. • 단열화염온도: 연소 생성물이 도달하는 최대 온도로, 엔탈피 평형 기반 계산 절차와 연소실 설계 및 온도 조절 원리 이해. |
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[54강] 화학반응 (4)
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화학 반응계의 엔트로피, 엑서지 및 가역일
• 화학 반응계 엔트로피 평형: 생성 엔트로피($S_{gen}$)는 엑서지 파괴($X_{destroyed}=T_0 S_{gen}$)로 이어지는 유용한 일의 손실을 의미. • 가역일($W_{rev}$): 계가 수행할 수 있는 최대 일로서, 반응물과 생성물의 깁스 함수 차이로 계산하며 표준 상태에서 형성 깁스 함수로 단순화. • 이상기체 혼합물 엔트로피: 각 성분의 분압과 몰분율을 활용한 엔트로피 계산 기준 및 방법 제시. |
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| 16장. 화학평형과 상평형 | ||
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[55강] 화학평형과 상평형 (1)
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화학평형과 상평형: 기준, 평형상수 및 응용
* 화학평형 기준: 열역학 제2법칙 기반, 일정 온도·압력에서 Gibbs 함수 최소화 원리로 정의. * 이상기체 평형상수 Kp: 표준 Gibbs 함수 변화($\Delta G^\circ$)와 연관되며, 반응 진행 정도 및 평형 조성 예측. * 상평형 원리: Gibbs 상법칙 기반, Henry·Raoult 법칙을 활용하여 다중 성분 시스템의 상평형 관계 분석. |
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[56강] 화학평형과 상평형 (2)
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이상기체혼합물 평형상수 Kp 특성 분석
* 이상기체혼합물 평형상수 Kp: 분압, 표준상태 Gibbs 함수, 몰수 항으로 표현되며, 오직 온도에만 의존하는 열역학적 평형 지표. * Kp와 평형조성 영향: 압력, 불활성 기체는 Kp 자체에 무관하나 $\Delta \nu$에 따라 평형조성 변화 유발; Kp 크기는 반응 완전성, 양론계수는 Kp 값에 지수적 영향. * 평형 계산의 한계: 평형 계산은 반응의 최종 조성만 제공하며, 반응 속도 정보는 포함하지 않으므로 주의가 필요함. |
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[57강] 화학평형과 상평형 (3)
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화학평형과 상평형: 동시반응, Kp 변화, 단일성분계 평형
• 동시반응 화학평형: Gibbs 함수 최소 원리와 질량보존 법칙을 기반으로 평형 조성 결정 및 Kp 관계식 활용. • Kp 온도 의존성: van't Hoff equation으로 이상기체 Kp와 반응 엔탈피의 관계를 분석하고 발열 반응의 고온 평형 예측. • 상평형 원리: Gibbs 함수 최소 조건에 따라 두 상의 비 Gibbs 함수가 같아질 때 평형에 도달하며, 그 차이가 상변화의 구동력. |
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[58강] 화학평형과 상평형 (4)
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화학평형 및 상평형: Gibbs 상법칙, Henry-Raoult 법칙
* **상평형 및 Gibbs 상법칙**: 다중성분 계의 평형 조건과 Gibbs 상법칙($IV = C - PH + 2$)을 활용한 독립변수 수 결정. * **Henry/Raoult 법칙**: 묽은/진한 용액에서 기체-액체 상평형의 용해도 및 분압 관계를 Henry와 Raoult 법칙으로 분석. * **고체 내 용해도 및 투과율**: 기체-고체 평형의 용해도, 투과율 원리를 파악하고 흡수식 냉동 시스템 등 공학적 응용 사례 이해. |
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| 17장. 압축성 유동 | ||
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[59강] 압축성 유동 (1)
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압축성 유동 기초: 정체상태량 및 음속
• 압축성 유동 개념: 압력, 체적, 밀도 변화가 수반되는 고속 기체 유동 특성 및 에너지 보존 원리 적용. • 정체상태량: 고속 압축성 유동에서 운동에너지가 엔탈피로 변환된 정지 상태량(온도, 압력) 정의 및 이상기체 관계식($T_0, P_0$). • 음속 및 마하수: 온도에만 의존하는 음속($c=\sqrt{kRT}$) 정의와 유동 속도 대비 음속의 비(마하수)를 통한 유동(아음속, 초음속) 분류 기준. |
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[60강] 압축성 유동 (2)
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압축성 유동 (2) - 1차원 등엔트로피 유동
• 1차원 등엔트로피 유동: 노즐·디퓨저 내 이상 유동 모델, 정체 상태량 불변성을 통한 유체 압력·속도 변화 분석. • 유동 단면적-마하수 관계: 아음속/초음속 유동 특성별 단면적-압력-속도 변화 원리, 수축-확대 노즐(라발 노즐)의 초음속 가속 구조 이해. • 임계 상태량 및 관계식: 마하수 1(목)에서의 유체 임계 상태량 정의 및 이상기체 등엔트로피 유동 상태량 관계식 활용. |
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[61강] 압축성 유동 (3)
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압축성 유동: 등엔트로피 노즐 유동 분석
* 등엔트로피 노즐 유동: 열 전달 없는 유체 흐름을 정체 상태량($P_0, T_0$) 기준으로 분석하여 유체 속도 및 상태 변화를 파악하는 원리. * 수축 노즐: 배압($P_b$) 변화에 따른 유동 특성 분석, 임계 압력($P^*$) 도달 시 질식 유동으로 질량 유량($\dot{m}$)이 최대치로 제한. * 수축-확대 노즐: 초음속 유동 가속 원리 및 배압($P_b$) 조절에 따른 유동 모드 분석, 특히 수직 충격파 발생 시 비가역적 과정의 특성 파악. |
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[62강] 압축성 유동 (4)
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압축성 유동: 충격파와 팽창파
* 충격파: 초음속 유동이 아음속으로 변환될 때 발생하는 비가역적 불연속 영역으로 엔트로피 증가 및 유동 상태량 변화를 유발. * 수직 충격파: 질량, 운동량, 에너지 보존 법칙에 따라 정체 압력은 감소하고 정압, 정온도, 정밀도는 증가, 유동 속도 및 마하수는 감소. * Fanno 선과 Rayleigh 선: 질량, 에너지, 운동량 보존 관계를 h-s 선도에 표현하며, 두 선의 교차점으로 충격파 전후의 유동 상태를 분석. |
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[63강] 압축성 유동 (5)
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48:
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경사 충격파, Rayleigh 유동 및 수증기 노즐의 유동 특성 분석
* 경사 충격파: 초음속 유동의 충격파 발생 원리, 굴절각·충격각 정의, 질량·운동량·에너지 보존 법칙 및 수직 충격파 관계 분석. * Rayleigh 유동: 열전달 덕트 유동의 보존 법칙, 정체 엔탈피·온도·엔트로피 변화, 아음속/초음속 유동 특성 및 지배 방정식 이해. * 수증기 노즐: 이상기체와 다른 증기 유동 특성, 과포화 현상, Wilson선 및 임계 압력비를 통한 노즐 내 응축 과정 분석. |
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| 부록 | ||
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[64강] APPENDIX (1)
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00
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교재만 있습니다.
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[65강] APPENDIX (2)
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00:
00
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교재만 있습니다.
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[66강] APPENDIX (3)
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0:
00:
00
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교재만 있습니다.
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김정수 교수님
열역학 통합과정
