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열역학 문제풀이Ⅱ
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 8개 챕터, 33강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 9장. 기체동력사이클 | ||
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[1강] 기체동력사이클(1)
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기체 동력 사이클 연습문제 9.1~9.5 핵심 정리
• 기체 동력 사이클·PV·TS선도: 사이클·프로세스 정의, PV·TS선도 폐곡선 면적의 정미일 의미, TS선도에서 $Q_H$, $Q_L$, $W_{\text{net}}$ 관계와 열효율 정의 구조 정리 • 공기표준 3·4과정 사이클(비열 일정/변화): 공기표준 가정하 정적·정압·등온·등엔트로피 과정의 상태량 관계, 열·일·정미일 계산, $s^0(T)$·엔트로피식 이용한 온도 역산 및 열효율 $\eta = 1 - Q_{\text{out}}/Q_{\text{in}}$ 산출 방법 정리 • 이상기체 3과정 사이클 효율식: 등엔트로피 압축·정압가열·정적방열 과정의 온도·압력·체적 관계를 $r, k$로 표현하고, $R = c_p - c_v$, $k = c_p/c_v$를 이용해 효율식을 압축비 $r$와 비열비 $k$의 함수로 유도하는 절차 정리 |
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[2강] 기체동력사이클(2)
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이상적 오토사이클 해석과 연습문제(9.6, 9.7) 정리
• 이상적 오토사이클 구성과 상태량 해석: 두 등엔트로피·두 정적 과정 구조, 압축비 정의와 실린더 기하학(행정, 변위체적, 배기량) 연계, 이상기체식·등엔트로피 관계·공기표를 이용한 네 상태점 온도·압력·내부에너지 계산 절차 정리 • 가변비열·일정비열 오토사이클 계산(연습문제 9.6, 9.7): 가변 비열 조건에서 상대 비체적·상대압력·u(T) 공기표를 이용한 상태량·열공급·정미일·열효율·평균유효압력 계산, 일정 비열 조건에서 k 상수 가정으로 온도 변화·사이클당 정미일·질량 유량·출력 산정 절차 제시 • 열효율·정미일·평균유효압력 개념과 성능 해석: 정미일 W_net = Q_in − Q_out 관계, 열효율 η_th = W_net / Q_in = 1 − Q_out/Q_in 정의, 평균유효압력 p_me = W_net/(V_max − V_min) 공식 및 4행정·다기통 엔진 회전수–사이클수 관계를 이용한 실제 출력 해석 구조 정리 |
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[3강] 기체동력사이클(3)
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오토·디젤·복합 기체동력사이클 문제풀이 핵심 정리
• Otto 사이클·Diesel 사이클 기초 개념: 압축비·차단비 정의, 정적/정압/등엔트로피 과정 구성, 비열 상수/가변 조건에서의 열전달·일·내부에너지·엔탈피 관계와 열효율 계산 절차 정리 • 공기표 기반 해석 및 성능지표: 비열 가변 시 공기표의 역이용(v_r, h−u로 온도·상태점 추정), 정압가열에서 q=Δh·정적가열에서 q=Δu 적용, 평균유효압력 p_me = w_net/(v_max−v_min)과 기관 출력 산정(배기량·회전수·행정수 반영) 방법 정리 • 복합(이중) 사이클 특성: 정적+정압 가열 복합 구조(1–2–X–3–4–1), 총 열유입과 (h_X−u_X) 조건을 이용한 TX 결정, 정적/정압 가열 분율 계산과 Otto·Diesel·복합사이클 간 효율·사이클 선도(PV·TS) 비교 정리 |
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[4강] 기체동력사이클(4)
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스털링·에릭슨·브레이튼 사이클 예제 정리 (완전가역·가스터빈 사이클 중심)
• 완전 가역 열역학 사이클: 카르노·스털링·에릭슨 사이클의 과정구성(두 등온 + 단열/정적/정압), 재생기 유무, 카르노형 효율식 η_th = 1 - T_L/T_H 비교 정리 • 이상 스털링·에릭슨 사이클 해석: 등온·정적·정압 과정에서의 열·일 계산, 재생기 열전달, 압력·온도·엔트로피 관계와 사이클 정미 일·열효율 도출 절차 정리 • 브레이튼(가스터빈) 사이클 해석: 이상·비이상 브레이튼 구조(등엔트로피/정압 과정), 상대압력·엔탈피 표 활용, 압축기·터빈 등엔트로피 효율을 포함한 상태량·정미 일·열효율·질량유량 계산 절차 정리 |
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[5강] 기체동력사이클(5)
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가스터빈 브레이튼 사이클 응용(단순/재생/2단 사이클)
• 단순 Brayton 사이클 해석: 상태점 온도·엔탈피·압력비를 이용해 압축기·터빈 일, 정미출력, 역일비, 열효율을 계산하는 공기테이블 기반 해석 절차 정리 • 재생 Brayton 사이클: 재생기에서의 에너지 보존 조건과 온도관계, 이상 등엔트로피 압축·팽창 가정을 통해 질량유량, 공급열량, 방출열량, 열효율을 구하는 구조 제시 • 2단 압축·2단 팽창 재생 가스터빈 사이클: 다단 압력비 최적 분배(각 단 동일 압력비), 상대압력·엔탈피를 이용한 등엔트로피 해석으로 단위 질량당 정미 일과 요구 질량유량을 설계하는 방법 정리 |
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[6강] 기체동력사이클(6)
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터보제트 기체동력사이클과 오토사이클 엑서지·제2법칙 효율
• 터보제트 사이클 해석: 디퓨저·압축기·터빈·노즐의 등엔트로피 압축·팽창과 정압 연소를 통해 각 상태점의 압력·온도·속도 계산 및 배기가스 속도·추진효율 산정 • 오토사이클 상태량 계산: 압축비·상대체적·상대압력·공기표를 이용한 네 상태의 T·P·u 평가와 정적 가열·방열 과정의 열량·정미일 계산 • 엑서지·제2법칙 효율: 각 과정 및 사이클 전체의 엔트로피 생성과 엑서지 파괴 평가, 입력 엑서지 대비 정미일 기반 제2법칙 효율 정의 및 해석 |
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| 10장. 증기동력 및 복학동력 사이클 | ||
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[7강] 증기동력 및 복학동력 사이클(1)
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열역학 증기동력 및 복합동력 사이클(정상유동 카르노·랭킨 사이클)
• 정상유동 카르노 사이클: T–s 선도에서 등온·등엔트로피 과정으로 구성된 이상 사이클로, 포화곡선(압축액·포화혼합·과열증기) 상의 상태량·건도 해석과 카르노 열효율식(온도식·열량식) 적용 • 이상적인 랭킨 사이클: 펌프–보일러–터빈–응축기로 이루어진 증기동력 기본 사이클로, 비압축성 액체 펌프일 근사, 보일러·응축기 정압 열교환, 터빈 등엔트로피 팽창을 통해 엔탈피·엔트로피 기반 효율·정미일·출력 계산 • 증기 사이클 해석 절차: 포화표·과열표를 이용한 상태 1–4의 h·s·건도 결정, 카르노·랭킨 열효율식과 w_net=(w_t−w_p), q_in·q_out 관계 활용, T–s 선도상 면적·과정 정의를 통해 이상 사이클 성능 및 터빈 건도 조건 평가 |
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[8강] 증기동력 및 복학동력 사이클(2)
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이상적 및 실제 Rankine 사이클 열역학 해석 핵심 정리
• Rankine 사이클 구성 및 상태 해석: 펌프·보일러·터빈·응축기 네 과정의 이상(등엔트로피·등압) 가정과 상태 1 포화액/과냉액, 펌프 비압축성 유체 가정을 통한 엔탈피·엔트로피 결정 절차 정리 • 터빈 과정 및 품질 제약 해석: 이상 등엔트로피 팽창과 비이상 터빈 등엔트로피 효율을 이용한 출구 엔탈피·건도 계산, 수분함유율(건도 하한) 조건으로부터 출구 엔트로피와 최소 터빈 입구온도 역산 구조 정리 • 에너지 성능 지표 계산: 보일러 열입력·응축기 열방출·정미 비일·정미출력·질량유량·열효율의 일반식과 상호 변환, 과냉각 응축수·비이상 장치 조건을 포함한 실제 Rankine 사이클 성능 평가 절차 정리 |
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[9강] 이상적 재열 및 재생 랭킨 사이클(1)
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이상적 재열 및 재생 랭킨 사이클 계산과 효율 향상 조건 정리
• 랭킨 사이클 비등엔트로피 장치 효율: 터빈·펌프 단열효율 정의, 실제/등엔트로피 상태 분리, 건도 제약을 이용한 터빈 입구 조건·열입력·열효율 계산 절차 정리 • 압력·온도 변화에 따른 이상적 랭킨 사이클 해석: 보일러 압력·최대 온도·응축기 압력 조합별 상태량, 열출입, 열효율 비교를 통한 고온·고압·저응축기압의 효율 영향과 건도·액적 한계 정리 • 재열 랭킨 사이클 구조와 건도 기반 역산: 두 단계 팽창·두 구간 열공급 보일러/재열기 에너지 수지, 재열에 의한 출력·효율·건도 개선 효과, 주어진 건도에서 엔트로피·엔탈피 역산 및 등엔트로피 관계·과열표 선형보간으로 터빈 입구 상태 결정 절차 정리 |
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[10강] 이상적 재열 및 재생 랭킨 사이클(2)
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밀폐형·개방형 재생 랭킨 사이클 예제 정리(문제 10.11~10.13)
• 재생 랭킨사이클 열역학 해석: 과냉액·포화액·혼합·과열 상태 판별 후 적절한 물성표에서 엔탈피·엔트로피·비체적을 취해 각 상태점과 펌프 일(vΔp)을 계산하는 절차 정리 • 밀폐형·개방형 급수가열기 모델링: 밀폐형은 비혼합 열교환기, 개방형은 직접 혼합기으로 설정하고, 질량보존·에너지보존식을 이용해 추출 증기 분율(y, z)을 구하는 방식 체계화 • 재생 사이클 성능평가: 추출 증기 분율을 반영한 보일러 열량(q_in), 응축기 방출열(q_out), 정미출력(w_net), 열효율(η_th)을 단일·다단 급수가열기 구성(밀폐형·1단·2단 개방형)에 대해 비교·정리 |
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[11강] 증기동력 사이클의 제2법칙 해석
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증기동력 재열·재생·복합사이클의 제2법칙 해석 핵심 정리
• 재열·재생 Rankine 사이클: 재열로 터빈 출구 건도와 효율 향상, 재생(추기·오픈 피드워터 히터)으로 보일러 열투입 감소 및 전기–공정열 트레이드오프 설계 • 엑서지 및 제2법칙 해석: 상태량 기반 열·일 계산, 사장상태 설정과 엑서지 정의 e=(h−h₀)−T₀(s−s₀), 가열·팽창·열교환기에서의 엔트로피 생성과 엑서지 파괴 평가 • 가스–증기 복합동력 사이클: Brayton 가스터빈 배기가 증기 Rankine 보일러 열원으로 작용하는 복합사이클 구조, 이상기체 단열식·열교환기 에너지 수지·양 사이클 정미일 합으로 전체 효율 산정 |
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| 11장. 냉동사이클 | ||
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[12강] 냉동사이클(1)
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카르노 냉동사이클과 이상적 증기압축식 냉동사이클 계산 정리
• 냉동사이클 구조·역학: 증기발전·냉동사이클의 상변화·TS선도 상 방향(시계/반시계), 증발기·응축기·압축기·스로틀링(등엔탈피) 과정의 역할과 열·일 교환 구조 정리 • 카르노 냉동사이클·COP: 역카르노 냉동사이클의 등온·등엔트로피 4과정, 냉동기·열펌프 COP 정의와 카르노 COP식 $COP_R = T_L/(T_H - T_L)$ 기반 성능 비교 및 R-134a 카르노 냉동 문제에서 COP, 냉동효과, 정미일 계산 절차 정리 • 이상적 증기압축식 냉동사이클·팽창장치 비교: 상태 1 포화증기·상태 3 포화액·3→4 등엔탈피 스로틀링 가정하에서 COP, 냉동효과, 압축일 계산법과, 스로틀링 대비 단열·가역 팽창장치 적용 시 엔탈피 감소·냉동효과 증가·COP 약 10% 향상 및 실제 설계에서 스로틀링 채택 이유 정리 |
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[13강] 냉동사이클(2)
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이상적·비이상적 증기압축 냉동사이클 계산과 해석 정리
• 증기압축 냉동사이클 개념: 이상적 사이클의 1–2 등엔트로피 압축, 2–3 등압 응축, 3–4 등엔탈피 교축, 4–1 등압·등온 증발 과정과 포화증기·포화액·혼합·과열·관행액 상태 정의 및 T-s/p-h 선도 기반 사이클 해석 구조 정리 • 성능 해석 및 효율 개념: R-134a 물성표·선형보간을 이용한 상태량(h,s,x) 계산, COP와 압축기 동력 산정, 등엔트로피 효율(이상/실제 압축 비교) 및 압력강하·과열·과냉이 COP에 미치는 영향 정량 평가 절차 정리 • 비가역성·엑서지 해석: 비이상적 압축기에서 엔트로피 증가와 비가역성 평가, 엑서지 파괴율 $\dot E_D = T_0 \dot m (s_2 - s_1)$ 계산 구조, 냉동능력·질량유량·에너지·엑서지 방정식의 연계 해석 방법 정리 |
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[14강] 냉동사이클(3)
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비이상 냉동사이클 해석과 COP·2법칙 효율 계산 정리
• 증기압축 냉동사이클 상태해석: R-134a 포화·과열·과냉 구분, 등엔트로피 압축 이상상태(2s)와 실제압축 상태(2) 비교, 교축 등엔탈피 가정과 건도·엔탈피·질량유량 산정 절차 정리 • 비이상 요소 및 성능지표: 관마찰·압력강하·관로 열전달을 반영한 증발기·압축기 사이 상태 변화, 냉동효과·입력동력·COP 계산과 이상 사이클 대비 실제 COP 차이 분석 • 카르노 기준 성능 평가: 카르노 냉동기 COP 식과 실제 COP 비교를 통한 제2법칙 효율 정의·계산, 온도구배에 따른 가용에너지·저온 저장조의 일잠재력 해석 |
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[15강] 냉동사이클(4)
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냉동사이클 연습문제 11.9~11.12와 냉매 선택, 열펌프 해석 정리
• 증기압축식 냉동·열펌프 사이클 해석: 냉동·난방부하, COP(실제·카르노), 최소입력동력, 제2법칙 효율, 엑서지·엑서지 파괴를 상태량과 에너지·엔트로피 수지로 계산하는 절차 정리 • 열교환기·부분 장치 성능 해석: 냉각수·지열수와 냉매의 질량유량, 온도·엔탈피 변화, 엔트로피 생성과 주위온도 기반 엑서지 파괴를 통해 응축기·증발기 등 개별 장치 성능 평가 • 냉매 선택 및 COP 개념 구분: 증발기 압력·응축기 포화온도 조건, 안전성·경제성·물성 기준으로 냉매 선정하고, 냉동기 COP(QL/W)와 열펌프 COP(QH/W)의 정의와 활용 차이를 체계적으로 정리 |
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[16강] 냉동사이클(5)
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2단 캐스케이드 냉동사이클, 기체 냉동사이클, 가역 흡수식 냉동장치 문제풀이 정리
• 2단 캐스케이드 냉동사이클 해석: 이상적인 증기압축 냉동사이클 상태점 설정, 캐스케이드 열교환기 에너지 밸런스로 상·하부 사이클 질량유량·냉각용량·압축기 일·COP 계산 절차 정리 • 기체 냉동사이클 해석: 공기 상수비열 가정과 등엔트로피 온도–압력 관계, 재생 열교환기 온도 균형식으로 최소 온도·COP·질량유량을 온도식 기반으로 산출하는 방법 정리 • 가역 흡수식 냉동장치 해석: 가역 열기관 효율과 가역 냉동기 COP 곱으로 전체 COP 표현, 열원 입력열량·수증기 응축률·가역 냉동기 구동동력·실제 COP 대비 제2법칙 효율 계산 구조 정리 |
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| 12장. 열역학의 일반 관계식 | ||
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[17강] 열역학의 일반 관계식(1)
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열역학 일반 관계식과 편미분·Maxwell·Clapeyron 응용 정리
• 편미분·순환·상반 관계식: 상태방정식에서 편미분 정의, 순환·상반관계식을 이용해 $p,v,T$ 간 미분 관계를 구조적으로 정리 • Maxwell·Clapeyron 관계: Maxwell 일반관계식과 Clapeyron 방정식으로 상변화 선에서 $dp_\text{sat}/dT, h_{fg}, s_{fg}$, 엔트로피 관련 편미분을 유도·검증 • 열역학 일반식 응용: $dh,du,ds$ 일반관계식과 $c_p-c_v$ 식을 이상기체·Van der Waals 기체·비압축성 물질, 등온·상변화 과정 및 표 기반 유한차분 계산에 적용해 $Δu,Δh,Δs$와 물성계수(비열, 팽창·압축계수) 관계를 정식화 |
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[18강] 열역학의 일반 관계식(2)
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헬륨 교축, 수증기 Joule-Thomson, 이탈도표와 성질표 비교 요약
• 교축과정·Joule-Thomson 효과: 스로틀 등엔탈피(Δh=0) 과정에서 이상기체는 T 일정(헬륨 등온 교축), 실제 과열 수증기는 양의 Joule-Thomson 계수로 압력 감소 시 온도 감소 • Joule-Thomson 계수·이상기체 한계: μJT = (∂T/∂P)h 정의 및 과열증기표 기반 ΔT/ΔP 근사 계산, 저온·고압·임계 부근에서 이상기체 h(T) 가정의 큰 오차와 실제 질소·수증기에서의 냉각 효과 정량화 • 환산량·이탈도표·성질표 비교: 환산압력·환산온도(P_r, T_r)로 이탈계수 Z_H, Z_s를 읽어 이상기체 h°, s°에 보정 후 실제 h, s 산출, 포화·과열 수증기 등압 가열에서 이탈도표 vs 성질표(선형보간) 결과 비교 및 수 % 수준 오차 특성 이해 |
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| 13장. 기체혼합물 | ||
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[19강] 기체혼합물(1)
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기체 혼합물 질량분율·몰분율 관계, 분압과 평균 성질 정리
• 기체 혼합 조성 변수: 질량분율·몰분율·체적분율 정의와 상호 관계, 평균 분자량·겉보기 기체상수·질량/몰 기준 가중평균식 정리 • 이상기체 혼합 특성: 체적분율=몰분율=분압비, 분압–몰분율–평균 분자량–비열(Cp, Cv, κ) 연계 계산 법칙 및 혼합 규칙 정리 • 응용 계산 절차: 질량·분압·체적 조건이 주어진 혼합·역산 문제에서 이상기체 상태방정식과 분율 관계식을 이용한 조성·압력·평균 성질 산정 방법 정리 |
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[20강] 기체혼합물(2)
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기체혼합물 에너지·엔트로피 변화 및 혼합 문제
• 기체혼합 조성·성질 계산: 체적기준 조성=몰분율 해석, 평균 몰질량·질량분율·혼합물 가스상수와 비열(cp, cv) 산정, 질량분율 가중합으로 엔탈피·내부에너지·엔트로피 평균값 계산 • 에너지 보존 및 상태변화 해석: 이상기체 혼합에서 개방계(정상유동)–밀폐계 구분에 따른 cp·cv 선택, 엔탈피/내부에너지 기반 에너지 방정식 적용, 열·일 교환(단열, 샤프트워크, 열손실)과 T·P 변화 계산 • 엔트로피 변화·생성 분석: 각 성분별 온도·분압 변화와 달톤법칙을 이용한 엔트로피 변화식 적용, 혼합·열전달 과정에서 시스템 엔트로피 변화와 열저장고 온도 T0를 이용한 엔트로피 생성량 분리·평가 |
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| 14장. 기체-증기혼합물과 공기조화 | ||
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[21강] 기체-증기혼합물과 공기조화(1)
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기체-증기 혼합물과 공기조화: 비습도·상대습도·이슬점 및 습공기선도
• 기체-증기 혼합물과 습도 특성: 건공기·수증기를 이상기체 혼합물로 보고 부분압·포화압을 사용해 비습도, 상대습도, 이슬점, 건구·습구온도 관계 및 응축 조건을 정의·계산하는 공기 상태 해석 • 습공기 열역학 성질: 비습도·상대습도·이슬점·수증기 분압 간의 관계식, 건공기·수증기 질량·부피 계산, 건공기 단위 질량당 엔탈피 식을 이용한 습공기 열역학 특성 산정 • 습공기선도와 실무 활용: 습공기선도의 축·등선(건구·습구온도, 비습도, 상대습도, 엔탈피, 비체적, 포화선) 구조를 이용해 공기 상태점 설정 및 주요 상태량을 읽어 공기조화·냉동·실내환경 설계에 적용 |
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[22강] 기체-증기혼합물과 공기조화(2)
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기체-증기 혼합물과 공기조화: 사람·침투·가열·냉각·가습 문제풀이 정리
• 습공기 기초 엔티티: 비습도·상대습도·엔탈피·비체적·포화압력 관계를 이용해 온도·수분 상태를 결정하고, 가열·냉각·가습·제습 과정에서 수분 보존/변화 조건을 구분 • 냉방·난방 및 침투 부하 해석: 인체발열의 현열·잠열 분리, 공기 침투에 따른 현열·잠열·총 부하 계산을 통해 실내 열균형과 필요 냉·난방 용량을 정량 평가 • 공기조화 프로세스 해석: 순수 가열·단순 냉각·가열 후 가습·가열부+가습기·냉각+재습 시스템에 대해 질량·에너지 보존식과 비습도·엔탈피 변화를 사용해 출구 상태, 열전달량, 수분 공급·응축량을 계산하는 절차 정리 |
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[23강] 기체-증기혼합물과 공기조화(3)
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습공기 공기조화 과정, 증발냉각 및 공기혼합 해석
• 습공기 상태량 개념: 건구·습구온도, 상대습도, 비습도, 엔탈피 정의 및 습공기선도·분압식·포화증기압을 이용한 상태 결정 절차 정리 • 공기조화·증발냉각 과정 해석: 냉각·재습·가열, 증발냉각 장치에서 비습도·엔탈피 변화, 이슬점·웹벌브온도, 질량·에너지수지와 단위 건공기당 열·수분 전달량 계산 구조 정리 • 두 공기류 단열 혼합 해석: 혼합 전 각 공기류의 비습도·엔탈피·비체적 계산 후 건공기·수분 질량수지와 에너지수지로 혼합 후 비습도·온도·상대습도·체적유량을 구하는 절차 정리 |
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| 15장. 화학반응 | ||
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[24강] 화학반응(1)
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연소 반응량 계산과 공연비, 이슬점 온도 정리
• 연소 반응 기본 개념: 완전연소/불완전연소, 공기 조성(O₂ 1 mol : N₂ 3.76 mol), 이론공기량·과잉공기·공연비(A/F) 정의와 연소식 설정, 원소수 보존(C, H, O, N)으로 미지 몰수 결정 절차 정리 • 연소량·공연비 계산: S, C₂H₆, C₃H₈, C₈H₁₈, C₂H₄ 연소식을 이론공기 및 과잉공기 조건에서 평형시켜 생성물 몰수 도출 후, 공기 몰수·질량, 연료 몰질량을 이용하여 공연비, 반응물/생성물의 몰분율·질량분율 계산 • 수증기 생성량과 이슬점: 탄화수소 연소로 생성된 H₂O 몰수에서 연료 1 kg당 H₂O 질량 산정, 생성물 혼합기 전체 몰수 대비 수증기 몰분율과 분압 계산 후, 포화증기표를 이용해 해당 분압의 포화온도를 이슬점 온도로 결정하는 절차 정리 |
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[25강] 화학반응(2)
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메탄 연소, 공연비, 과잉공기·이슬점·석탄 연소 계산 정리
• 연소 반응 해석: CH4·C8H18·석탄 연소에서 건식 생성물 조성·몰분율·원소수지로 반응식 계수·연료/공기/생성물 몰수와 이론공기량 산정 • 공연비·과잉공기·불완전 연소: 공기 조성(O2+3.76N2) 기반 공연비(A/F), 과잉공기율과 실제 공기량, CO 생성에 따른 O2 소비 변화와 잉여 O2 계산 • 이슬점·석탄 연소: 생성가스 내 수증기 몰분율→분압→포화온도(이슬점) 결정, 석탄 질량분율을 몰수로 변환해 이론공기량·실제 공기량·질량기준 공연비 계산 |
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[26강] 화학반응(3)
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화학반응 열역학: 정상유동 연소, 발열량, 과잉공기 해석 핵심 정리
• 정상유동 화학반응 엔탈피와 에너지 보존: 형성엔탈피·현열엔탈피 분리, 25℃·1 atm 기준 안정원소 형성엔탈피 0 규약, 정상유동 연소계 에너지 보존식과 연료 1 mol 기준 엔탈피 수지 구조 정리 • 연소열·고위·저위 발열량 계산: 에탄·석탄 연소 반응식 설정, 형성엔탈피 합으로 연소엔탈피 산정, 물의 상(수증기/액체)에 따른 HHV·LHV 정의와 응축잠열 포함 여부 및 질량 기준 발열량 환산 절차 정리 • 양론공기·과잉공기·공연비와 열전달: 이론공기량과 과잉공기율을 이용한 실제 공기량·공연비 계산, 아세틸렌 정상유동 연소에서 생성물 현열 포함 열전달량 평가와 반응물·생성물 온도 차에 따른 수식 구조 구분 |
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[27강] 화학반응(4)
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연소 열역학 응용: 과잉공기, 이론공기, 열전달량 계산 핵심 정리
• 연소 공기 개념·반응식: 이론공기량(ATH), 과잉공기율, Air–Fuel ratio 정의와 완전·과잉연소 평형반응식 계수 설정(프로판, 디젤, n-옥탄, 혼합기체연료) • 연소열·열전달 계산: 형성엔탈피와 현열 엔탈피 결합, 이상기체 가정과 cpΔT 근사, kJ/kmol→kJ/kg 변환을 이용한 연료 1kmol·1kg당 연소열 및 요구 열부하 대비 연료·공기 질량유량 산정 • 혼합연료·수분 거동: 몰분율=체적분율 해석, 혼합연료 평균분자량과 AF ratio 계산, 생성가스 수증기 분압·이슬점 평가를 통한 응축 여부와 응축 수증기량 판정 |
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[28강] 화학반응(5)
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순수 양론 산소 아세틸렌 화염온도, 옥탄 연소 및 엑서지 해석 요약
• 양론 연소·단열 화염온도: 양론 연소 조건에서 반응식·원소수지 설정 후 표준 생성엔탈피와 현열 엔탈피를 이용해 C2H2–O2 및 옥탄 연소의 단열 화염온도·출구온도 산정 • 과잉공기·습공기·액체 연료 연소: 과잉 O2·입구 수분을 불활성 성분으로 포함한 생성물 조성·몰수 계산, HHV/LHV 및 상변화 잠열 반영한 액체 옥탄 연소 열전달률 평가 • 엔트로피 생성·엑서지 파괴: 분압 보정 엔트로피와 열전달 항을 포함한 엔트로피 수지로 엔트로피 생성률 계산 후, 환경온도와의 곱으로 엑서지 파괴율을 구해 연소 과정 비가역성 정량화 |
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| 16장. 화학평형과 상평형 | ||
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[29강] 화학평형과 상평형(1)
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화학평형과 상평형(1): KP, 압력, 열해리, Gibbs 함수
• 평형상수와 조성 변화: 이상기체 가정에서 $K_p$는 온도만의 함수이며 반응식 역·배수 조작 시 $1/K_p$, $K_p^n$으로 변환되고, 압력 변화는 지수합에 따라 평형 조성(몰수·몰분율)만 변화시킴 • Gibbs 함수와 $K_p$ 계산: 혼합기체 성분의 Gibbs 함수는 표준 상태 $g_i^\circ(T)=h_i^\circ(T)-Ts_i^\circ(T)$와 분압 보정 $g_i=g_i^\circ+RT\ln(P_i/P^\circ)$로 계산하고, 형성 Gibbs 함수와 열용량(현열) 보정을 포함한 $\Delta G^\circ(T)$로부터 $\ln K_p=-\Delta G^\circ/RT$ 관계로 다양한 온도에서 $K_p$를 평가함 • 열해리 평형 해석: 질소 및 탄소–산소계 열해리에서 원자수지로 평형 조성을 표현하고, 조성으로부터 $K_p$를 구해 표나 식을 이용해 온도를 역산하며, 주어진 $\ln K_p$로부터 미지 몰분율을 해석적으로 구해 고온 화학평형 문제를 체계적으로 해결함 |
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[30강] 화학평형과 상평형(2)
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화학평형과 상평형 응용: 열해리, 이온화, 연소평형, 반응엔탈피
• 고온 평형조성 해석: CO–O2–CO2, 프로판–공기, H2O·이원자 분자 해리계에서 화학양론 기준반응·원자수지·전체 몰수 표현과 평형상수 Kp 정의를 결합해 평형조성·열해리도·연소완결도 계산 • 이온화·해리도–Kp 관계: Na ⇌ Na⁺ + e⁻, X2 ⇌ 2X, H2O ⇌ H2 + O2·OH 등에서 전하·원자 보존을 이용한 이온화도·해리도 공식 유도와 Kp 크기에 따른 조성 지배종·무시 가능한 종(CO, NOx) 판정 • 반응엔탈피와 평형상수: CO 연소반응을 사례로 표준 생성엔탈피·현열엔탈피 합산에 의한 반응엔탈피 계산과 d(ln Kp)/d(1/T) = –ĥR/R 관계를 이용한 Kp–온도 자료 기반 반응엔탈피 추정 비교 |
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[31강] 화학평형과 상평형(3)
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화학평형과 상평형 연습문제(반응엔탈피, Kp, Gibbs 함수, 라울트 법칙, 상분리 계산)
• 반응엔탈피–평형상수 Kp 관계: van’t Hoff 근사식으로 온도에 따른 ln Kp 변화를 계산하고, 중간온도 반응엔탈피를 이용해 고온 Kp를 추정하는 절차 정리 • 상평형과 Gibbs 함수: R-134a 액–증기 평형에서 g=h−Ts로 각 상의 Gibbs 함수 계산 후 g(l)≈g(v) 조건으로 상평형 판정 및 대표 평형 Gibbs 함수값 설정 • 이상용액·이성분 상평형 계산: Raoult 법칙으로 액상 몰분율×포화압력에서 분압 추정, O2–N2 계에서 상평형도(x–y 다이어그램)·전체 몰수·성분 수지를 이용해 기·액 각 상의 조성·몰수·질량 분배 계산 |
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[32강] 압축성 유동(1)
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압축성 유동과 정체량·마하수·임계상태 개념 정리
• 압축성 유동·정체량·마하수: 압축성 유동에서 마하수 정의와 음속 관계, 정온·정체온도·동온도와 정압·정체압·동압(피토관 포함)의 구조적 관계 정리 • 등엔트로피 관계와 정체량 해석: 이상기체 등엔트로피 상태방정식과 정체온도·정체압력·정체엔탈피를 이용한 압축기·터빈·단열 노즐·덕트의 온도·압력·속도·단위질량당 일 계산 • 임계상태와 초음속 노즐 해석: 수축-확대 노즐의 초킹 조건(M=1)과 임계온도·임계압력 공식, 헬륨·고온 기체의 물성 변화에 따른 비열·비열비 가정 오차와 마하수·임계상태량에 대한 영향 평가 |
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[33강] 압축성 유동(2)
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압축성 유동 문제풀이(정체 상태, 노즐, 충격파, Rayleigh 유동)
• 정체 상태·임계 상태·마하수 관계: 정체온도·정체압력 정의와 등엔트로피 상태식, M–T–p–ρ 상관관계 및 노즐 초킹(임계 상태)·면적비–마하수 분지 선택 원리 정리 • 충격파와 Rayleigh 유동: 노멀 충격파 전후 상태(마하수·압력·온도·정체압·엔트로피) 변화와 수축-확대 노즐 내 충격파–배압 조건, Rayleigh 선에서 열전달·질식 조건·최대 열전달 및 역문제 해석 구조 정리 • 노즐·덕트 응용 유동: 초음속 풍동·가스터빈 연소실·증기 노즐에서 등엔트로피/비등엔트로피 유동해석, 표(등엔트로피·노멀쇼크·Rayleigh·증기표) 기반 속도·질량유량·마하수·정체압 손실 계산 절차 정리 |
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김정수 교수님
열역학 문제풀이Ⅱ
