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열역학 문제풀이Ⅰ
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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| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 1장. 열역학의 기본 개념 | ||
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[1강] 열역학의 기본 개념(1)
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열역학 기본 개념과 문제풀이 핵심 정리 (1장 연습문제 중심)
• 열역학 기본 이론 체계: 고전열역학·통계열역학·열역학 vs 열전달 비교, 열역학 제0·1·2·3법칙과 에너지 보존·엔트로피 증가·절대온도 개념 정리 • 열역학 상태 분석 틀: 질량·무게·중력가속도·밀도·체적·유량 관계, 계·경계·열저장조·밀폐계·개방계·고립계, 강성적·종량적 상태량, 단순 압축성 시스템과 상태가설·건도 개념 정리 • 열역학 과정과 온도 측정: 준평형(준정적) 과정과 경로 개념, 등온·정압·정적 과정과 장치(단단한 용기·피스톤-실린더) 연계, 온도계·온도척도(섭씨·화씨·켈빈·랭킨)와 열역학 제0법칙 기반 온도 정의 정리 |
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[2강] 열역학의 기본 개념(2)
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열역학 기본 개념(2) – 압력, 정수압, 파스칼의 원리, 부력 문제풀이 정리
• 압력 및 정수압 개념: 정압·동압·전압(총압)과 대기압·게이지압·진공압·절대압 정의 및 관계식, 정수압 $P=\rho g h$ 와 깊이·다중 유체 액주식 압력계·수은 마노미터·피스톤-실린더 평형에서의 힘·단위(kPa–Pa) 해석 • 파스칼의 원리와 유압 리프트: 밀폐 유체 내 동일 압력 전달 원리, 압력=힘/면적 관계를 이용한 유압 리프트 힘 증폭, 피스톤 직경·면적·질량비 계산과 전기–열–유체 아날로지 기반 원동력(정압차)·저항 구조 이해 • 부력 및 유체 정역학 응용: 부력 $F_b=\rho_{\text{fluid}} g V_{\text{displaced}}$ 정의와 물체·유체 밀도 비교에 따른 뜨는/가라앉는 조건, 헬륨 풍선·선박·공기 부력 사례에서 질량·체적·순상승력·가속도 계산 절차 정리 |
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| 2장. 에너지, 에너지 전달 및 에너지 분석 | ||
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[3강] 에너지, 에너지 전달 및 에너지 분석
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열역학 에너지, 일, 열 및 기계적 에너지 문제풀이 핵심 정리
• 에너지 형태와 상태량: 총에너지 구성(거시적 에너지·미시적 에너지), 내부에너지·엔탈피 정의, 단위 질량당 에너지 표현과 에너지 변화량 중심의 상태량 해석 • 에너지 전달과 유동: 질량유량과 에너지 유동률을 이용한 풍력·수력 발전 역학적 에너지·전력 계산, 기계적 에너지·열에너지 변환 특성 및 열역학 제2법칙·엔트로피와의 연관성 • 일·열·전기일과 기계적 일: 일의 정의와 존재 조건, 계 선택에 따른 열·일·전기일 구분, 피스톤-실린더 경계일, 스프링 일(경로함수)과 내부에너지(점함수) 대비, 축일·토크·동력 관계 정리 |
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[4강] 에너지와 환경 등
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에너지와 환경: 열역학 제1법칙 응용 문제 풀이 요약
• 열역학 제1법칙·부호 규약: 폐쇄계·개방계에서 에너지 보존식을 열·일·내부에너지·역학적 에너지(위치·운동·유동)에 대해 설정하고, 들어오는/나가는 열·일에 대한 부호 규약과 정상상태 가정을 통해 해석하는 절차 정리 • 공학 시스템 에너지 해석: 냉방 부하, 덕트 팬, 가솔린 펌프, 수력발전·양수 펌프 등에서 질량유량·체적유량·압력차 관계(𝑚̇=ρV̇, 𝑊̇=ΔpV̇, 𝐸̇_mech=𝑚̇(gh+V²/2))를 이용해 최소/최대 전력, 유량, 전력 생산량을 계산하는 방법 정리 • 효율 및 손실 해석: 모터·펌프·터빈·발전기 및 냉방장치의 효율을 유용에너지/입력에너지로 정의하고, 입력 에너지의 분배(축일·압력상승·위치에너지 증가·열손실)를 정량적으로 평가하는 계산 구조 정리 |
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| 3장. 순수물질의 상태량 | ||
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[5강] 순수물질, 상(phase)
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순수물질의 상태량과 상변화 문제풀이 핵심 정리 (압축액·포화 혼합물·과열증기, 건도·계 구분 포함)
• 순수물질 상변화와 상태량 판정: 포화표·과열증기표 기반으로 압축액·포화 혼합물·과열증기 영역을 구분하고, 압력·온도·비체적·내부에너지·엔탈피·엔트로피·건도 등의 상태량 관계를 구조적으로 정리 • 건도와 포화 혼합물 해석: 포화 구간에서 온도–압력 종속성과 건도 정의를 이용해 임의 물성(v,u,h,s)을 선형 조합으로 계산하고, 포화액·증기 물성치, 증발잠열, 선형보간(내삽법)으로 상태량을 결정하는 절차 정리 • 압축액 근사·계와 과정 분류: 압축액의 비체적·에너지 근사(h ≈ h_f + v_f(P−P_sat)) 원리와 개방계·밀폐계·고립계·절연계·고체계 및 정적·정압·등온·등엔트로피·등엔탈피 과정 정의를 통해 상변화 열역학 해석과 예제(견고한 탱크 포화 혼합물) 풀이 구조 확립 |
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[6강] 상변화과정에 대한 상태량 선도, 상태량 표(1)
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피스톤-실린더, 견고한 용기에서의 상변화·상태량 해석 핵심 정리
• 열역학 과정 유형과 계 판정: 피스톤-실린더·견고한 용기에서 밀폐계 여부, 정압·정적·비정압(스프링)·단열·등온 과정 구분 및 압력·체적·비체적 상수 여부 판정 • 상변화 상태 판정과 상태량 계산: 포화·과열·압축액 구분, 포화표·과열표 선택, 건도식과 선형 보간을 이용한 v·h·u·s 계산 및 포화 혼합물 평균 상태량 $y=y_f+x(y_g-y_f)$ 적용 • 응용 문제 구조와 에너지 수지: 피스톤-실린더/견고한 용기 가열·냉각, 스프링 피스톤 비정압 과정, 비등·증발 과정에서 압력·온도·체적 변화 해석과 증발 잠열·열률을 이용한 엔탈피 변화 및 증발률 계산 |
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[7강] 상변화과정에 대한 상태량 선도, 상태량 표(2)
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R-134a 상변화 상태량 해석과 포화 혼합물·과열영역 문제풀이 정리
• 순수물질 상변화 상태량 해석: R-134a·물의 정적과정·정압과정·혼합과정에서 두 독립 상태량(P–v, T–v 등)으로 영역(압축액·포화 혼합물·포화증기·과열증기) 판정 후 건도·비체적·엔탈피·내부에너지 계산 절차 정리 • 포화표·과열표 및 선형보간 활용: 포화온도·포화압력·증발잠열 h_fg·포화비체적 v_f,v_g·과열증기표를 이용해 포화증기 응축 열전달률, 견고한 용기 내 완전 증발 온도, 정압·정적 혼합과정의 에너지 변화 해석 방법 정리 • 압력–끓는점 및 하중 효과: 수두압·뚜껑 무게·피스톤 하중·대기압 변화로 인한 국소압력 변화가 포화온도·끓는점에 미치는 영향과, 끓는점·잠열로부터 역으로 대기압·고도를 추정하는 열역학 응용 계산 구조 정리 |
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[8강] 이상기체 상태방정식, 이탈기준
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이상기체 상태방정식과 실제기체 이탈 기준 요약
• 이상기체 상태방정식·기체상수 관계: 이상기체식 $PV=mRT=RT/\rho$ 형태와 절대압·절대온도 사용, 기체상수 R–일반기체상수 $R_u$–분자량 M 및 $R=C_p-C_v$, $\gamma=C_p/C_v$ 관계를 통한 기체 특성·분자량·밀도 계산 체계 정리 • 이상기체 근사 조건·공정 해석: 임계압력·임계온도 기반 저압·고온·저밀도 영역에서의 이상기체 근사 타당성 평가, 등온·정적·밀폐계 상태변화에서 두 상태 이상기체식 비례관계로 압력·온도·체적·질량을 해석하는 절차와 다중 용기·칸막이 제거 문제 구조 정리 • 실제기체 이탈·압축성 인자 적용: 증기 vs 기체 구분과 과열증기 비체적 비교, 압축성 인자 $Z = Pv/RT$와 축소온도·축소압력($T_r, P_r$)을 이용한 일반화된 압축성표·증기표 활용으로 고압 영역에서 이상기체 근사 오차를 정량 평가·보정하는 기준 및 운용 방법 정리 |
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| 4장. 밀폐계의 에너지 해석 | ||
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[9강] 이동 경계일
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이동 경계일과 정압·등온·폴리트로픽 과정 문제풀이 핵심 정리
• 밀폐계·경계일·에너지보존: 밀폐계에서 질량은 보존되고 경계 이동에 의한 일 $W=\int p\,dV$만이 일 전달이며, 정압·정적·등온·단열·폴리트로픽 과정에 따라 상태방정식과 과정식을 조합해 질량·체적·온도·압력 변화를 해석함 • 이상기체·특정 과정식·경계일 공식: 이상기체식 $pV=mRT$와 과정식 $p=\text{const},\ V=\text{const},\ pV=\text{const},\ pV^\kappa=\text{const},\ pV^n=\text{const}$를 이용해 정압 $W=p(V_2-V_1)$, 정적 $W=0$, 등온 $W=mRT\ln(V_2/V_1)$, 단열·폴리트로픽 $W=(p_2V_2-p_1V_1)/(1-n)$ 등의 경계일 공식을 체계적으로 적용함 • 피스톤-실린더·폴리트로픽·스토퍼 문제풀이: 피스톤-실린더 및 질소·헬륨·수증기 사례에서 증기표·과열표·이상기체 가정을 통해 상태(포화/과열, $T,p,v$) 판정 후 과정 분할(정압+정적)과 폴리트로픽 지수 $n$ 계산으로 일의 크기·부호와 실제 팽창·압축 경로를 단계적으로 해석함 |
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[10강] 밀폐계에 대한 에너지 평형
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밀폐계 에너지 평형: 피스톤-실린더 일 문제 풀이 정리
• 피스톤-실린더 이상기체 과정: 등온·등엔트로피(단열)·폴리트로픽 과정에서 $PV=mRT$, $PV^n=C$를 사용해 상태변화와 경계일 $W_b=\int P\,dV$를 $W_b=mRT\ln(V_2/V_1)$, $W_b=(P_2V_2-P_1V_1)/(1-n)$ 형태로 계산하는 절차 정리 • 상변화·증기표 기반 물 과정: 포화액·포화증기·포화혼합물·과열증기 상태판독, 품질식 $v=v_f+x(v_g-v_f)$와 포화·과열 증기표를 이용한 비체적 계산 후 정압·등온 상변화에서 $W_b=P\,m\,(v_2-v_1)$로 팽창/압축일을 구하는 방법 정리 • 일반 P–V 관계와 사이클 일: 선형 P–V식과 스프링 포함 과정에서 도형 면적(사각형+삼각형)으로 일 분해, 폴리트로픽 지수 변화에 따른 일 크기 비교, 등온–폴리트로픽–정압으로 구성된 사이클에서 각 과정 일의 부호를 합산해 순 정미일과 사이클 성격을 판별하는 해석 구조 정리 |
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[11강] 비열, 이상기체의 내부에너지, 엔탈피 및 비열
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스프링 피스톤·폴리트로픽 과정·밀폐계 에너지보존 연습문제 정리
• 스프링 피스톤·정압·정적 과정: 스프링이 있는 피스톤-실린더의 선형 P–V 관계와 사다리꼴 면적 일 계산, 포화/과열 판정 및 비체적·건도를 이용한 상태량·일 계산 구조 정리 • 폴리트로픽 과정·Back Work Ratio: 이상기체 폴리트로픽 압축과 정압 팽창에서 PV^n=const·PV=mRT를 이용한 일식 유도 및 압축비 r, 지수 n의 함수로 표현한 Back Work Ratio 정식화 • 밀폐계 에너지보존·견고 용기 냉매 가열: Q_in−W_out=ΔU를 기반으로 한 밀폐계 에너지 수지표 해석, 휘젓기·전기입력 포함 에너지 증가율 계산, 견고 용기 R-134a 가열에서 비체적 불변을 이용한 질량·내부에너지·전달 열량 계산 절차 정리 |
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[12강] 고체와 액체의 내부에너지, 엔탈피 및 비열(1)
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R-134a 및 물의 정적·정압 과정에서의 상변화와 에너지 해석
• 상평형과 상태량 해석: R-134a·물의 포화·과열 구분, 건도 정의와 비체적·내부에너지·엔탈피를 이용한 질량·상분율·응축·기화량 계산 • 정적·정압·가변압 과정 에너지 보존: 정적(정체적)·정압·스프링·멈춤장치 피스톤-실린더에서 경계일·전기일·샤프트일을 포함한 에너지 보존식으로 열전달과 일 해석 • P–V 경로와 선형보간: 스프링·멈춤장치에 따른 P–V 선도 경로(직선·직각형)와 일 계산, 상평형표 과열영역 선형보간을 통한 상태량 추정과 오차 특성 이해 |
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[13강] 고체와 액체의 내부에너지, 엔탈피 및 비열(2)
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스프링 피스톤계 열역학 문제풀이 핵심 정리
• 스프링 피스톤·포화 혼합물 해석: 스프링에 의한 선형 P–V 변화, 사다리꼴 바운더리 일, 포화표 기반 건도·비체적·내부에너지·엔탈피 계산 및 밀폐계 제1법칙 적용 • 이상기체 열역학 성질 관계: u(T), h(T)·cp(T)·cv(T)의 온도 의존성, 정압·정적 과정에서 Q = mcpΔT, Q = mcvΔT, 자유 팽창과 견고 용기(정적)·정압 과정의 P–V·T 관계 및 일 존재 여부 구분 • 견고 용기·축일·스프링 과정 해석: 견고 용기 냉각·가열에서 W=0 조건의 Q–Δu 계산, 축일(휘저기) 포함 에너지 방정식, 스프링 상수·변위로부터 압력 변화와 상태변화(T2, P2) 해석 및 단위 질량당 Δu, Δh 산정 |
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[14강] 고체와 액체의 내부에너지, 엔탈피 및 비열(3)
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실제 시스템 예제로 이해하는 닫힌계 내부에너지, 일, 열전달 문제 풀이 정리
• 닫힌계 에너지 보존식: 공기·고체·액체에 대해 Q−W=ΔU, mc_vΔT, mc_pΔT, 잠열을 사용해 온도 변화·내부에너지 변화·가열·냉각 시간·열전달률 계산 • 일(Work) 해석: 피스톤 경계일(폴리트로픽·등온·선형 P–V, 스프링 포함)과 샤프트 일·전기일을 구분하고, w_b 식(등온 RT ln V₂/V₁, 폴리트로픽 (P₂v₂−P₁v₁)/(1−n), mR(T₂−T₁)/(1−n))으로 압축·팽창 과정의 일과 부호 규약 정리 • 열전달·상변화·연속 공정: 열원·열손실·열유입률과 mcΔT, m h_fus, ṁ c_pΔT, ρ Ṽ c_pΔT를 이용해 방 난방·냉각, 음료 냉각과 얼음 융해, 다리미·금속판 가열 등에서 필요한 열전달량·열전달률·시간을 계산하는 절차 정립 |
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| 5장. 검사체적의 질량 및 에너지 해석 | ||
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[15강] 검사체적의 질량 및 에너지 해석(1)
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검사체적에서 질량 및 에너지 해석 연습문제 정리(열역학 5장)
• 검사체적·정상유동·연속방정식: 개방계에서 질량보존(연속방정식)과 에너지보존을 적용해 ρ, v, P, T 관계로 질량유량(ṁ=ρAV, ṁ=ρV̇)과 체적유량, 속도, 단면적을 해석하는 기본 개념 정리 • 질량수지·유량·속도·직경 해석: 환기, 관내유동, 압축기, 견고 용기 충전, 사이클론, 송풍기 사례를 통해 질량보존, 질량분율(y), 비체적(v), 이상기체 상태식(ρ=P/RT)을 이용한 질량유량·체적유량·속도·직경·축적질량 계산 절차 훈련 • 에너지 수지·엔탈피·상변화 해석: 주택 환기, 냉매 압축기, 압력솥 증기 배출 예제를 통해 에너지보존식( Q̇−Ẇ=ṁΔh ), 질량에 의한 에너지전달률(ṁh), 포화·과열표 기반 엔탈피와 상변화(잠열) 및 유동·운동에너지 평가로 열손실·일률·에너지유출 분석 능력 강화 |
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[16강] 검사체적의 질량 및 에너지 해석(2)
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가스터빈 노즐·디퓨저 및 냉매 장치의 에너지 해석 핵심 정리
• 정상류 에너지보존식: 검사체적에서 노즐·디퓨저·노즐(스팀/냉매)·압축기에 대한 정상류 에너지 방정식 단순화(단열·열/일 유무·속도/위치에너지 무시 여부)와 엔탈피–속도(운동에너지) 교환, kJ–J 단위 일관성 및 질량보존(ρAV 상수) 적용 절차 정리 • 유체 상태 판정 및 물성 활용: 공기 이상기체의 cp–R 관계와 반복계산, 스팀·R-134a의 포화/과열 영역 판정, 비체적 v·엔탈피 h를 표에서 취득하여 속도, 체적유량, 면적비, 압력, 샤프트일 등 계산하는 구조 정리 • 장치별 해석 절차: 노즐(가속·압력·엔탈피 감소), 디퓨저(감속·압력·엔탈피 증가), 열손실 포함 스팀 노즐, 열전달 포함 냉매 디퓨저, 단열 냉매 압축기에서 에너지방정식·질량보존식 결합해 속도, 압력, 체적유량, 일(동력)을 구하는 해석 알고리즘 정리 |
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[17강] 검사체적의 질량 및 에너지 해석(3)
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검사체적의 질량 및 에너지 해석: 교축·혼합·열교환 예제 정리
• 교축(throttling)·상태영역 판정: 정상상태 등엔탈피 과정에서 포화·과열·과냉 영역을 P–T–h로 구분하고 건도·비체적·온도 변화를 표 기반으로 계산하는 절차 정리 • 혼합기 에너지 해석: 포화수증기·과열증기·과냉수 혼합 시 질량보존과 에너지보존을 적용해 출구 엔탈피·건도·온도·질량유량을 결정하는 방법 체계화 • 열교환기 해석(단순·cross-flow·응축기): 공기·가스·냉매의 질량유량 산정(Pv=RT, 체적유량→질량유량)과 Q = ṁ c_p ΔT, Q손실=Q획득을 이용한 출구온도·열전달률·냉매 유량 계산 절차 정리 |
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[18강] 검사체적의 질량 및 에너지 해석(4)
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검사체적 질량·에너지 해석 응용예제 정리 (열교환·전자냉각·유동가열)
• 정상상태 검사체적 해석: 질량보존식과 에너지보존식 기반으로 질량유량(ρAV 또는 AV/v)·엔탈피 변화(h1−h2)·비열과 온도차(cpΔT)를 이용해 상변화 응축, 공랭·전자냉각, 유동가열, 이동 고체 냉각 등의 열전달·일률 계산 • 상태점·상변화 판정: 압력·온도에서 포화/과열/압축액 영역 판정 후 증기표·냉매표로 h·v를 선정하고, “특정 온도에서 응축/증발”을 포화상태 상변화로 해석하여 잠열·과열 제거열을 포함한 단위질량당 열전달량 q 산정 • 계산 절차 및 단위 관리: 개방계에서 질량유량 산정 → 에너지식에 열·일·속도·위치에너지 항의 무시 여부 결정 → q = h1−h2 또는 q = cp(T2−T1) 선택 → kJ/W·kW, J/kJ, L/m³ 등 단위 변환과 일관성 점검을 통해 응축기·덕트 냉각·전자장치·이동 강판·수평관 증기 유동 해석에 적용 |
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[19강] 비정상유동과정의 에너지 해석(1)
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비정상 유동과정 에너지 해석: 충전·배출 문제풀이 정리
• 비정상 유동과정 에너지 보존: 견고·단열/열교환 탱크에서 개방계 제1법칙과 질량보존을 적용하여 충전·배출 시 내부에너지·엔탈피·유입/유출 질량·유동일·열전달을 해석하는 절차 정리 • 탱크·배관 상태 해석: 포화·과열 영역 판정, 스팀테이블·과열증기표 선형보간, 이상기체 상태방정식을 이용해 탱크(내부에너지 중심)와 공급관·배출구(엔탈피 중심)의 상태량과 평형 조건을 결정하는 방법 정리 • 공학적 응용 계산: 진공/포화/과열 탱크 충전, 진공 병 열평형, 압력솥 증발 사례를 통해 유입 질량, 공급 조건(압력·온도), 유동일, 정미 열전달, 최대 열전달률을 구하는 계산 구조 정리 |
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[20강] 비정상유동과정의 에너지 해석(2)
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비정상 유동 과정 에너지해석: 피스톤·견고 용기 문제 정리
• 비정상 유동 에너지 해석 개념: 피스톤-실린더(정압·바운더리 웍 존재)와 견고 용기(정적·일 없음)에서 질량보존·에너지보존 방정식을 적용하고 상태(포화액·포화증기·혼합·과열·과냉)에 따른 건도·엔탈피·내부에너지 선택 절차 정리 • 피스톤-실린더·견고 용기 해석 절차: 피스톤-실린더는 정압·경계일로 인해 에너지식을 엔탈피 중심으로 전개하고(유입·유출 mh 기반), 견고 용기는 체적 일정·일 없음으로 내부에너지 중심 에너지식을 사용하며(ΔU = Q + Σmh_in − Σmh_out), R-134a·이상기체에서 상태표·비열·기체상수로 상태량·온도·질량을 연립 계산 • 상태 판정·열전달·출제 포인트: 포화·과열·과냉·혼합 상태를 압력·온도·비체적으로 판정하고(포화표·온도표 선택, 건도 계산), “액체만 유동/증발 완료/등온 유지” 등의 조건으로 유입·유출 엔탈피와 열전달 방향을 결정하며, 피스톤 vs 견고 용기 구분·엔탈피–내부에너지 변환·비정상 유동 이상기체 해석이 주요 시험·연습문제 포인트가 됨 |
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[21강] 비정상유동과정의 에너지 해석(3)
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비정상 유동 과정 에너지 해석: 질량·에너지 보존식 기반으로 견고 탱크·풍선·피스톤-실린더·스프링 시스템의 비정상 유동 해석 틀 정립
경계일 및 과정 특성: 정압·정적·선형 P–V 과정의 경계일 계산, 과열·포화·혼합 상태 판별과 열역학 표(포화/과열)에서 v·u·h 선정 및 선형 보간 절차 정리 질량·에너지 교환 해석: 유입·배출 질량에 대한 엔탈피 항과 시스템 내부에너지 변화 분리, 등온 유지 전기일·단열 배출 Try and error 해석 및 단위 질량당 손실 에너지 평가 |
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| 6장. 열역학 제2법칙 | ||
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[22강] 열역학 제2법칙(1)
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열역학 제2법칙과 열기관·냉동기·열펌프 기초 정리
• 열역학 법칙과 엔트로피: 제1법칙의 에너지 보존·제2법칙의 자연 과정 방향성과 엔트로피 증가·무질서도 개념, 열의 일방향 흐름과 열저장조(고온·저온 저장조) 정의 정리 • 열기관과 열효율: 열기관의 에너지수지( Q_in, Q_out, W_net ), 카르노 한계, 발전소·펌프용 기관·태양열 발전소 사례를 통한 정미출력·열효율 계산 구조 정리 • 냉동기·에어컨·열펌프와 COP: 냉장고·에어컨·열펌프의 유용효과 정의(Q_L, Q_H), COP_R·COP_HP 공식, 비열·질량·온도차 활용 열량·시간·소비전력 계산 및 외기와의 열교환 에너지수지 구조 정리 |
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[23강] 열역학 제2법칙(2)
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열역학 제2법칙 응용: COP, 열펌프, 카르노사이클, 켈빈-플랑크·클라우지우스 서술 핵심 정리
• 냉동기·냉장고·열펌프 성능계수(COP_R, COP_HP) : 저온·고온 측 열량과 일 입력의 비로 정의되며, 질량유량·엔탈피 차·운전시간을 이용해 열제거율·열공급·필요 동력을 계산하는 성능 지표 • 비가역 과정과 카르노사이클 : 마찰 등으로 엔트로피가 증가하는 실제 비가역 과정과, 2등온·2가역단열로 구성된 이상적 가역 카르노사이클을 대비하여 열기관의 순수 일, 공급열·폐기열, 최대 효율(η = 1 − Q_L/Q_H = 1 − T_L/T_H) 관계 정식화 • 열역학 제2법칙 서술(Kelvin-Planck·Clausius) : 단일 열저장조로부터 100% 일을 생산하는 열기관과 외부 일 없이 저온에서 고온으로 열만 전달하는 장치의 불가능성을 제시하며, 서로 동치인 제2법칙 서술을 통해 실제 열기관·냉동기·열펌프의 필수 폐기열·일 입력과 최대일·카르노 효율 한계를 규정함 |
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[24강] 열역학 제2법칙(3)
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카르노 냉동·냉장 사이클 응용 계산 핵심 정리
• 카르노 냉동기·에어컨 성능계수(COP) 분석: 카르노 COP 식과 저온·고온 저장조 온도 정의를 통해 이론적 최대 COP, 최소 압축동력, 최소 질량·체적유량 산정 • 실제 냉동·냉장·에어컨 시스템 해석: 증발기·응축기·압축기에 질량·에너지보존을 적용하여 냉매 질량유량, 냉동부하(열수지), 열전달률, 입력일률, 실제 COP 계산 • 응용 설계 및 용량 산정: 냉각수·실내부하·음용수 냉각 조건에서 유량·온도변화·COP를 이용해 냉동부하를 구하고, 요구 압축기 용량 및 시스템 성능 비교·평가 |
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| 7장. 엔트로피 | ||
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[25강] 엔트로피, 엔트로피 증가의 원리, 순수물질의 엔트로피 변화(1)
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엔트로피 변화 예제풀이와 증가의 원리 핵심 정리
• 엔트로피 정의와 가역성 판정: 가역 등온과정에서 ΔS=Qrev/T, 고립계 총 엔트로피 ΔStotal≥0 조건, 카르노 사이클 등 가역 등온 열전달 vs 유한 온도차 비가역 열전달의 엔트로피 생성 비교 • 상변화·과정별 엔트로피 계산: 포화·혼합물·과열·압축액 상태에서 건도·비체적·엔탈피·엔트로피를 표로 연계해 정압 피스톤–실린더, 단열·정적 용기, 자유팽창, 전열기 가열 과정의 ΔS 및 ΔSgen 계산 절차 정리 • 열역학 과정 해석 응용: 유한 온도차 열전달, 상변화 동반 가열·팽창, 칸막이 제거 등 비가역 과정에서 엔트로피 증가와 가용에너지 감소의 의미를 사이클·냉동기·밀폐계 예제로 통합 분석하는 문제 풀이 역량 강화 |
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[26강] 엔트로피, 엔트로피 증가의 원리, 순수물질의 엔트로피 변화(2)
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엔트로피 증가의 원리와 등엔트로피/등온/단열 과정 예제 정리
• 엔트로피 개념과 제2법칙 적용: 가역 과정에서 ds = δq_rev/T 정의, 등엔트로피·등온·단열 과정의 관계와 엔트로피 증가/감소 여부를 통해 실제 과정 가능성 및 비가역성 판정 • 열역학 장치 해석 절차: 터빈·피스톤–실린더·견고한 용기·단열 용기에서 상태판정(과열/포화혼합물, 건도 계산), 1차 법칙으로 q·w·u·h 계산, T–S/P–v 선도로 과정 경로와 면적–에너지(열전달·일) 대응 분석 • 엔트로피 변화 계산 기법: 혼합물·상변화에서 표준 성질(s,u)와 건도(x) 활용, 비압축성 고체·액체에서 Δs = c_p ln(T₂/T₁) 적용, 계+주위 총 엔트로피 변화로 엔트로피 생성량·가용도 감소 및 열평형 온도 정량 평가 |
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[27강] 등엔트로피 과정, 변화(1)
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등엔트로피 과정 열역학 문제풀이 정리 (문제 7.15~7.19)
• 등엔트로피 열역학 해석: 밀폐계·개방계 구분에 따른 내부에너지 u·엔탈피 h 선택, 단열·정상상태 조건에서 에너지보존식과 일·열전달 계산 절차 정리 • 엔트로피 변화 계산: 이상기체 상수비열·변수비열 모델, h⁰(T)·s⁰(T) 표와 상태방정식 활용하여 Δs, 시스템 총 엔트로피 변화 산정 • 상태 결정 및 수치기법: 포화·과열 영역 판정, 등엔트로피 조건 s=const 이용한 상태점 결정, 물성표 선형보간과 반복계산으로 T, u, h, s 구하는 방법 정리 |
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[28강] 등엔트로피 과정, 변화(2)
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등엔트로피·폴리트로픽 압축·팽창에서 엔트로피와 일 계산 핵심 정리
• 이상기체 과정 모델링: 폴리트로픽·등엔트로피·등온·단열 과정에서 Pv=RT, p v^κ=const, 비열(상수·변수)와 표 보간을 이용한 온도·압력·체적·질량 상태 계산 • 에너지·엔트로피 보존식: 밀폐계는 내부에너지·boundary work, 정상유동 개방계는 엔탈피·flow work·질량유량을 사용해 열·일·엔트로피 변화와 생성률( Ṡ_gen ) 계산 • 기계·공정 성능 해석: 압축기·팽창계·용기에서 등엔트로피 압축/팽창 일, 최대 일, 등온 가역 압축 일, 감압 시 잔류 질량 및 공정의 가역성·엔트로피 증가 여부 평가 |
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[29강] 가역 정상유동 일, 압축 일의 최소화
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Summary Content:
가역 정상유동 일과 펌프·압축기 최소 일 해석 핵심 정리 • 가역 정상유동 일과 p–v 해석: 가역 정상유동 일식 \(w_{\text{rev}}=\pm\int v\,dp\)와 비체적 일정·등압 조건에서의 \(v\Delta p\) 단순화, 클로즈드 시스템 경계일 \(w_b=\int p\,dv\)와의 차이 및 p–v 선도 면적 해석 구조 정리 • 비압축성 액체 펌프 해석: 비압축성 유체 가정에서 비체적 일정 \(v\simeq \text{const}\)를 이용한 펌프 일·입력동력 \(\dot W=\dot m\,v(P_2-P_1)\) 계산, 최소 일·최대 출구압력 조건을 가역 과정(손실·엔트로피 증가 없음)과 연결하는 압력 상승 해석 • 기체 압축기 일 비교: 이상기체 질소 압축에서 등엔트로피·폴리트로픽·등온·이상적 2단 폴리트로픽 과정의 상태방정식 관계(\(pv^k, pv^n, RT\ln(P_2/P_1)\))와 단위질량당 일 식, 주어진 압축 동력으로부터 질량유량 산출 및 단위질량당 일 크기와 질량유량·효율 비교 구조 정리 |
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[30강] 정상유동장치의 등엔트로피, 엔트로피 평형(1)
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단열 정상유동장치의 등엔트로피 효율 계산 개념 정리
• 등엔트로피 효율 개념: 단열 정상유동장치(터빈·압축기·펌프·노즐)에서 같은 입·출구 압력 조건의 이상(등엔트로피) 과정과 실제 과정의 일·엔탈피·운동에너지 변화 비로 효율 정의 • 장치별 등엔트로피 해석: 터빈·증기터빈에서 상변화·건도·엔트로피 일정 조건으로 출구 상태와 효율 계산, 압축기·냉동압축기에서 등엔트로피 출구 상태·소요동력·Try & Error(k, c_p 보정)로 효율 산정, 노즐·터보 제트 노즐에서 엔탈피 강하–속도 증가 관계와 상대압력·등엔트로피 관계식으로 출구 상태·유속 결정 • 해석 공통 절차: 상태량(h, s, T, p) 표 및 보간·과열/포화/혼합영역 판정·건도식과 등엔트로피 관계(T–p–s, 상대압력)·에너지보존식(속도항 kJ/kg 환산)을 결합해 질량유량, 단위 일, 효율을 구조적으로 계산 |
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[31강] 정상유동장치의 등엔트로피, 엔트로피 평형(2)
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정상유동장치 엔트로피 생성·등엔트로피 효율 예제풀이
• 정상유동 엔트로피 수지·엔트로피 생성: 엔트로피 평형식(유입·유출·열전달/온도·생성·축적) 구조, 정상상태·단열·단일흐름 조건에 따른 단순화와 팽창밸브·압축기·열손실 시스템에서의 s_gen 계산 • 등엔트로피 효율·터빈 해석: 이상(등엔트로피) 경로와 실제 경로 비교를 통한 터빈 등엔트로피 효율 정의, 포화·과열·혼합물 상태 판정과 건도·엔탈피·엔트로피 이용한 질량유량·출구상태·엔트로피 생성률 산정 • 혼합·열교환·냉동 과정 해석: 냉매–물·물–Brine·물–수증기 시스템에서 질량·에너지·엔트로피 보존식 결합, 상수비열·비압축성 근사와 Δs식(이상기체, 액체) 사용, 내부 비가역 혼합·유한 온도차 열전달에 의한 엔트로피 생성 평가 |
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| 8장 엑서지 | ||
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[32강] 엑서지 (1)
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엑서지와 제2법칙 효율: 열·일·물질 기반 문제풀이 정리
• 엑서지 개념·사장 상태·엔트로피 생성: 주위 상태 대비 최대 유효일 정의, 사장 상태(dead state) 규정, 엑서지 파괴식 $E_D=T_0 S_{gen}$과 엔트로피 생성 기반 비가역성 정량화 • 에너지 형태별 엑서지와 엑서지식: 열·일·물질·위치·운동에너지·전기일의 엑서지 정의, 카르노 효율 기반 열 엑서지 $E_{x,Q}=(1-T_0/T_H)Q$, 밀폐계 엑서지식 $\psi=(u-u_0)+P_0(v-v_0)-T_0(s-s_0)$ 및 유효일 $W_{useful}$ 관계 • 제2법칙 효율과 장치 해석: 열기관·냉동기·열펌프·터빈·압축기에서 $\eta_{II}=\eta_{act}/\eta_{rev}$, $W_{useful}/W_{rev}$, $\text{COP}_{act}/\text{COP}_{rev}$ 적용하여 가역일·가역동력·비가역성·등엔트로피 효율을 이용한 장치 성능 및 엑서지 분석 문제풀이 정리 |
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[33강] 엑서지 (2)
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엑서지 응용 예제(밀폐계·피스톤-실린더·열펌프 연계)
• 밀폐계 엑서지와 최대일 개념: 사장상태 기준 엑서지 정의, 밀폐계 엑서지 식(내부에너지·체적·엔트로피와 T₀·P₀ 연계), 최대일·가역일·유용일·엑서지 파괴 관계 및 물·R-134a 사례 비교 • 피스톤-실린더 및 냉각 과정 엑서지 해석: 정압 피스톤-실린더에서 과열→압축액 변환 시 상태량 계산, 경계일·유용일 산정, 엑서지 균형식 적용을 통한 엑서지 증가·파괴량 해석 절차 • 방열기–열기관–열펌프 연계 엑서지 분석: 밀폐 방열기 과열증기 냉각 시 열전달·엑서지 변화 계산, 카르노 열기관·히트펌프 COP를 이용한 최대 열전달량 산정, 엔트로피 vs 엑서지의 비가역성 평가 범위 비교 |
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[34강] 엑서지 (3)
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엑서지 파괴와 제2법칙 효율, 단열 밀폐계 문제풀이 정리
• 단열·밀폐계 엑서지 분석: 열·물질 출입 0에서 $S_\text{gen}=m(s_2-s_1)$, $X_\text{dest}=T_0S_\text{gen}$으로 엑서지 파괴 계산, 전기일·경계일 등을 에너지 보존식에 반영하는 구조 정리 • 피스톤-실린더 정압 과정 해석: 경계일과 내부에너지 합을 엔탈피 변화로 표현해 $W_\text{elec,in}=m(h_2-h_1)$ 사용, 이상기체·포화 혼합물 상태에서 선형보간·건도 계산으로 $u,h,s,v$ 등 상태량 결정 • 가역일·유용일·제2법칙 효율 관계: 단열·밀폐계에서 $W_\text{rev,in}=m(\psi_2-\psi_1)$ 또는 $W_\text{rev}=W_\text{useful}-X_\text{dest}$ 사용, 공급형(in) 조건의 $\eta_{II}=\dfrac{W_\text{rev,in}}{W_\text{useful,in}}$과 엑서지 파괴량의 상관 분석 |
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[35강] 엑서지 (4)
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열역학 엑서지 응용: 단열·견고 용기와 가역일 계산 정리
• 엑서지·사상상태 개념: 주위조건(Dead State)을 기준으로 한 계의 최대 가역일과 엑서지 파괴 $E_{dest}=T_0 S_{gen}$ 정의, 상태량 아닌 환경-계 통합 관점의 유용일 잠재력 정리 • 단열·견고·밀폐계 해석: $Q=0$, $W_b=0$, 질량출입 0 조건에서 에너지수지 $\Delta U=0$ 및 엔트로피수지 $\Delta S_{sys}=S_{gen}$, 이상기체·비압축성 물질의 엔트로피 변화식을 이용한 생성 엔트로피·엑서지 파괴 계산 구조 정리 • 엑서지 응용 문제 유형: 자유팽창, 고온 고체–액체 혼합, 견고 용기 냉매 가열, 단열 가역 팽창, 실제 공기 압축에서 엑서지 변화·가역일·최소일·제2법칙 효율을 구하는 절차와 상태량·건도·엔트로피 기반 해법 체계화 |
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[36강] 엑서지 (5)
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피스톤-실린더 엑서지 문제와 정상유동장치 엑서지 해석 핵심 정리
• 엑서지·엔트로피 생성·가역일: 밀폐계 피스톤-실린더와 터빈·노즐·디퓨저·압축기에서 에너지 보존·엔트로피 균형을 통해 엑서지 변화, 엑서지 파괴, 최대/최소 유용일(가역일) 계산 • 정상유동장치 엑서지 해석: 터빈·노즐·디퓨저·압축기에서 이상기체/냉매 상태량, 운동에너지·열손실·압력변화·질량유량을 포함한 엑서지 균형으로 단열 조건, 최대 일, 최소 일, 엑서지 파괴율 평가 • 제2법칙 효율·카르노 효율: 카르노 효율 (1−T₀/T_H)을 이용한 열 공급 엑서지 산정, 파괴 엑서지 E_x,d = T₀ S_gen과 실제 유용일 비교로 제2법칙 효율 정의 및 정적·정압과정 경계일 포함 정량 해석 |
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[37강] 엑서지 (6)
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엑서지 응용 연습문제: 단열 압축기·응축기·비정상 충전·노즐·진공 팽창
• 엑서지·가역일 분석 개념: 개방·밀폐·비정상 계에서 에너지 보존(1법칙)·엔트로피 생성(2법칙)·엑서지 파괴(가역일 손실) 관계를 단열 조건, 상태량(엔탈피·내부에너지·엔트로피) 기반으로 정식화 • 단열 유동장치 해석: 단열 압축기·응축기·노즐에서 정상유동 에너지방정식과 등엔트로피 효율·COP·속도변화·엑서지 감소식, 비정상 단열 충전에서 질량·에너지·엔트로피 균형과 온도상승·엑서지 파괴 계산 절차 • 진공·팽창 과정의 엑서지: 진공 용기 개방·연결 시 이상기체 상태방정식과 엔트로피 변화식으로 최종 상태를 구하고, 계 전체 엑서지 변화·진공의 P₀V 잠재일·파괴된 엑서지 = 가역 유용일 관계 정리 |
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김정수 교수님
열역학 문제풀이Ⅰ
