1. 카르노 기관 (Carnot Engine)
ㅇ 이상적인 가역 순환 과정으로 작동하는 열기관
- 프랑스 공학자 사디 카르노(Sadi Carnot, 1824)가 제안
- 실제로 구현 불가능한 이론적 기관이나,
열기관 효율의 이론적 상한선을 제시함
ㅇ 두 열원(고온 TH, 저온 TL) 사이에서 작동
- 고온 열원으로부터 열(QH)을 흡수
- 일부를 일(W)로 변환
- 나머지 폐열(QL)을 저온 열원으로 방출
※ Sadi Carnot (1796~1831) : 프랑스 공학자
- 열역학 분야에서의 선구자 (일과 열의 관계에 관한 근본적인 발견)
- 열 효율이 높은 열 기관을 연구 함
- 동일 조건에서 운전되는 카르노 엔진은 작동 유체 종류에 상관없이 동일 효율을 갖음을 증명
2. 카르노 사이클 (Carnot Cycle) : 4단계 가역 과정
※ 완전히 가역적인 열기관 사이클 (가설적,이상적 순환 과정)
- 고온 열저장고와 저온 열저장고 사이에서,
- 4개의 가역 과정을 거쳐, 원 상태로 되돌아오는,
- 에너지 효율이 가장 높은, 순환 과정
ㅇ 등온 팽창 (Isothermal Expansion) : TH 일정
- 고온 열원(TH)으로부터 열(QH)을 흡수하며 팽창
- 온도 일정, 부피 증가, 압력 감소
ㅇ 단열 팽창 (Adiabatic Expansion)
- 열 교환 없이 팽창 (Q = 0)
- 온도 TH → TL로 하강, 부피 증가
ㅇ 등온 압축 (Isothermal Compression) : TL 일정
- 저온 열원(TL)으로 폐열(QL)을 방출하며 압축
- 온도 일정, 부피 감소, 압력 증가
ㅇ 단열 압축 (Adiabatic Compression)
- 열 교환 없이 압축 (Q = 0)
- 온도 TL → TH 로 상승, 부피 감소
3. 카르노 효율 (Carnot Efficiency)
ㅇ 열효율 (Thermal Efficiency)
- η = W / QH = (QH - QL) / QH
ㅇ 절대온도로 표현 (카르노 정리)
- ηCarnot = 1 - TL / TH
. TH : 고온 열원의 절대온도 [K]
. TL : 저온 열원의 절대온도 [K]
ㅇ 의미
- TH가 높을수록, TL이 낮을수록 효율 증가
- η = 1 (100%) 이 되려면 TL = 0 K 이어야 하나,
이는 열역학 제3법칙에 의해 도달 불가
4. 카르노 정리 (Carnot Theorem)
ㅇ 동일한 두 열원 사이에서 작동하는 모든 열기관 중,
가역 기관(카르노 기관)의 효율이 최대임
ㅇ 비 가역 과정을 포함하는 실제 열기관의 효율은
반드시 카르노 효율보다 작음
- η실제 < ηCarnot = 1 - TL / TH
ㅇ 가역 기관끼리는 작동 유체 종류에 무관하게 효율이 동일함
5. 열역학 법칙과의 관계
ㅇ 열역학 제1법칙 : 에너지 보존
- W = QH - QL
ㅇ 열역학 제2법칙 : 방향성 (비가역성)
- 열은 고온 → 저온으로만 자연 흐름
- η < 1 : 열 전부를 일로 변환 불가 (제2종 영구기관 불가)
- 카르노 기관은 제2법칙이 허용하는 최대 효율 기관