1. 열역학적 계 (系, Thermodynamics System)
※ 열역학적 계 : 열역학적 연구 대상이 되는 공간이나 물질의 영역
ㅇ (관심 대상 영역에 따라) : 우주 = 계 + (경계) + 주위
ㅇ (에너지,질량 이동 여부에 따라) : 고립계 밀폐계 개방계
- (이들은 계의 경계에서 주위와, `물질` 및 `에너지`를 교환하는지 여부에 따라, 구분됨)
ㅇ (경계 조건에 따라)
- 단열 경계 : 열 이동 없음 (Adiabatic Boundary)
- 투열 경계 : 열 이동 가능 (Diathermic Boundary)
2. 열역학적 상태 (Thermodynamic State)
※ 열역학적 상태 : 계가 특정한 순간에 가지는 거시적인 성질들의 집합
ㅇ 열역학적 상태량 : 열역학적 계의 거시적 성질을 나타내는 변수들
- 크기 (extensive) 성질 : 종량적 상태량 (질량, 부피, 에너지 등)
- 세기 (intensity) 성질 : 강성적 상태량 (온도, 압력, 밀도 등)
ㅇ 열역학적 평형 상태 (Thermodynamic Equilibrium)
- 시간에 따라 변하지 않고, 흐름도 없음
- 종류 : 열적 평형, 역학적 평형, 상 평형, 화학적 평형
3. 열역학적 과정 및 사이클
ㅇ 사이클 (Cycle) / 순환 과정 (Cyclic Process)
- 여러 상태를 거쳐 처음 상태로 다시 되돌아오는 순환 과정
. 카르노 사이클 (Carnot Cycle) : 이상적인 가역 열기관 사이클
. 랭킨 사이클 (Rankine Cycle) : 열을 축 일로 변환하는 순환 과정 (증기 동력 사이클)
. 냉동 사이클 (Refrigeration Cycle) : 저온 영역에서 열을 흡수하고 고온 영역으로 방출
ㅇ 특정 열역학 과정
- 등온 과정 (Isothermal Process) : 온도 일정
- 단열 과정 (Adiabatic Process) : 열 출입 없음
- 정압 과정 (Isobaric Process) : 압력 일정
- 정적 과정 (Isochoric Process) : 부피 일정
- 폴리트로픽 과정 (Polytropic Process) : P Vn = 일정
ㅇ 사이클 장치 : 낮은 온도의 물체에서 높은 온도의 물체로 열전달을 하는 장치
- 사이클 장치 例) 열 기관, 냉동기, 열 펌프 등
ㅇ 작동 유체 (Working Fluid) : 열역학 사이클 동안에, 열을 흡수하고 이를 방출하는 유체
4. 열에너지 저장 및 전달
ㅇ 열 저장고 (Heat Reservoir), 열 에너지 저장조 (Thermal Energy Reservoir)
- 열을 주고받아도, 온도변화가 거의 없는, 매우 큰 열용량을 갖는, 가상의 물체
. 例) 대기, 바다, 호수, 강 등
ㅇ 열 교환기 (Heat Exchanger) : 열을 전달(교환)하는 장치
- 광의로는, 열의 이동이 일어나는 보일러,냉각기,응축기 등 모두를 포함하나,
- 주로, 열의 회수가 일어나는 부분을 열 교환기라고 함
. 직접 접촉식 열 교환기 : 두 유체가 직접 접촉
. 간접 접촉식 열 교환기 : 고체 벽을 통해 열 교환 (例: 자동차 라디에이터)
5. 열역학적 장치
ㅇ 열역학적 일의 생산 및 소비 장치 例)
- 일 생산 장치 例) : 자동차 엔진, 가스 터빈, 증기 터빈 등
- 일 소비 장치 例) : 압축기, 팬, 펌프 등
ㅇ 열 기관 (Heat Engine) : 열을 일로 변환시키는 장치
ㅇ 보일러 (Boiler) : 물을 가열하여 온수 또는 증기를 생산
ㅇ 냉동기 (Refrigerator) : 외부 공급 일로, 저온 영역에서 열을 흡수하고 고온 영역으로 방출
ㅇ 열 펌프 (Heat Pump) : 외부 공급 일로, 저온 열원에서 고온 열원으로 열을 이동시킴
6. 열역학적 성능 및 효과
ㅇ 열 효율 (Thermal Efficiency)
- 열 입력이 일 출력으로 변환된 비율
. 열 기관의 성능 척도
- 열 효율 = (순 일 출력) / (총 열 입력)
- 열 효율 例)
. 불꽃 점화 자동차 엔진 : 약 25%
. 디젤 엔진, 대형 가스 터빈 : 약 40%
. 대형 가스 증기 복합 원동소 : 약 60%
ㅇ 줄-톰슨 효과 (Joule-Thomson effect)
- 기체가 팽창할 때의 냉각 효과
. 기체를 강하게 압축하여 분출시키면 온도를 극적으로 내려서 기체의 액화가 가능