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열역학Ⅰ
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 9개 챕터, 34강으로 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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| 부록 | ||
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[32강] APPENDIX (1)
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교재만 있습니다.
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[33강] APPENDIX (2)
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교재만 있습니다.
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[34강] APPENDIX (3)
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교재만 있습니다.
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김정수 교수님
열역학Ⅰ
