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열역학Ⅱ
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 10개 챕터, 35강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 9장. 기체동력사이클 | ||
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[1강] 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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[2강] 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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[3강] 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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[4강] 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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[5강] 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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[6강] 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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[7강] 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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[8강] 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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[9강] 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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[10강] 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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[11강] 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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[12강] 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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[13강] 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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[14강] 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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[15강] 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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[16강] 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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[17강] 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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[18강] 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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[19강] 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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[20강] 화학반응 (1)
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06:
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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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[21강] 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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[22강] 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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[23강] 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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[24강] 화학평형과 상평형 (1)
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57:
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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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[25강] 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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[26강] 화학평형과 상평형 (3)
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02:
34
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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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[27강] 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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[28강] 압축성 유동 (1)
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23
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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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[29강] 압축성 유동 (2)
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51:
32
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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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[30강] 압축성 유동 (3)
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55:
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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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[31강] 압축성 유동 (4)
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52:
45
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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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[32강] 압축성 유동 (5)
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48:
58
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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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[33강] APPENDIX (1)
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00:
00
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교재만 있습니다.
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[34강] APPENDIX (2)
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교재만 있습니다.
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[35강] APPENDIX (3)
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교재만 있습니다.
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김정수 교수님
열역학Ⅱ
