공기의 물리적인 특성 ( Physics )apro7.ipdisk.co.kr/publist/HDD1/web/kcaatech/compair... · 2017-11-22 · 공기의 물리적인 특성 ( Physics ) 1.1.2 분자 및 서로다른

대기(大氣, atmosphere)는 지구의 인력으로 지구 표면을 덮고 있으면서 여러 종류의 공기(air)를 포함하고 있는 공간을 말한다. 대기를 구성하고 있는 공기는 여러 기체(gas)들의 물리적 혼합이며 화학적 화합물은 아니다. 대표적인 기체는 질소, 산소, 아르곤, 그리고 이산화탄소로서, 부피 비로 보면 전체 대기의 99.98%를 차지한다. 이들 기체는 지표면에서부터 상공으로 올라갈수록 희박해지지만, 80km까지는 거의 일정한 비율로 혼합되어 있다.분자(分子)는 원자의 결합체 중 독립 입자로서 작용하는 단위체. 독립된 입자로 행동한다고 볼 수 있는 원자의 결합체이다.분자를 이루는 구성원자의 수에 따라 단원자 분자 (He, Ne, Ar), 2원자분자 (H2, O2, HCl),3원자분자 (H2O, CO2),다원자분자 (H2SO4, H2CO3),고분자(녹말,단백질,DNA)로 분류한다. 불활성기체인 단원자분자의 경우 분자를 구성하지 않고 원자그대로 존재하여 원칙적으로 분자로 보기어렵지만 안정된 기체로 다른 화합물과 잘반응하지 않고 기체 특유의 성질을 가지므로 일반적으로 분자로 분류하여 사용한다.

성분 화학식 체적 비율 질량 비율 기체 밀도 비중

질소 N2 78.084 0.75520000 1.251 1.105

산소 O2 20.9476 0.23150000 1.429 0.967

아르곤 Ar 0.934 0.01280000 1.78 1.38

이산화탄소 CO2 0.039 0.00046000 1.977 1.54

네온 Ne 0.001818 0.00001200 0.9002 0.69

헬륨 He 0.000524 0.00000072 0.1785 0.13

메탄 CH4 0.000181 – – –

크립톤 Kr 0.000114 – – –

이산화황 수소 아산화 질소 제논 오존 이산화질소 요오드

공기의 구성 물질(1)

공기의 물리적인 특성 ( Physics )

1.1.2 분자 및 서로다른 상태 (The molecule and the differend states of matter )

물질을 이루는 분자들은 끊임없이 운동하고 있는데 물질의 주위 환경조건(온도 압력 등)에 따라 상태변화를 하고 상태마다 분자 운동의 정도가 다르다 고체는 분자간의 거리가 매우 가깝고, 분자 사이의 인력이 매우 크게 작용하여 분자는 제자리에서 진동하는 운동만 한다.액체는 분자간의 거리는 가까우나 분자사이의 인력이 크지 않아 어느 정도 자유롭게 움직이고, 기체는 분자 사이의 거리가 매우 멀고, 분자 간에 작용하는 인력이 거의 없기 때문에 분자 운동이 매우 활발하다.기체 상태의 물질에 계속 열을 가하여 온도를 올려주면, 이온핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체가 만들어진다. 물질의 세 가지 형태인 고체, 액체, 기체와 더불어 '제4의 물질상태'로 불리며, 이러한 상태의 물질을 플라스마라고 한다.

공기의 구성 물질의 특성(2)

성분 반데르워스

Van der Waals

a / Pa m6 상수

분자량 가스 상수 정압 비열 정적 비열 비열 비

b / m3

mol−1 g/mol

R

(J/g・K)

Cp

(J/g・K)

Cv

(J/g・K) γ

공기

mol−2

135 × 10−3 36.6 × 10−6 28.967 0.28703 1.005 0.718 1.399

질소 N2 141 × 10−3 39.2 × 10−6 28.013 0.29680 1.039 0.743 1.399

산소 O2 138 × 10−3 31.9 × 10−6 31.999 0.25984 0.914 0.654 1.398

수증기 H2O 553 × 10−3 33.0 × 10−6 18.015 0.46152 4.186 3.147 1.33

헬륨 He 3.45 × 10−3 23.8 × 10−6 4.003 2.07727 5.240 3.16 1.66

아르곤 Ar 136 × 10−3 32.2 × 10−6 39.948 0.20813 0.523 0.32 1.68

수소 H2 24.8 × 10−3 26.7 × 10−6 2.016 4.12449 14.250 10.12 1.408

일산화탄소 151 × 10−3 40.0 × 10−6 28.010 0.29684 1.041 0.74 1.4

이산화탄소 365 × 10−3 42.8 × 10−6 44.010 0.18892 0.819 0.63 1.3

암모니아 422 × 10−3 37.1 × 10−6 17.031 0.48821 2.060 1.57 1.31

메탄 CH4 238 × 10−3 42.8 × 10−6 16.042 0.51828 2.160 1.63 1.32 ※0℃/1atm ,비열 = 1kg 의 물질을 1K 만 상승하는 데 필요한 열량 (뒷장설명)

임의의 물체의 표면에 대하여 단위면적에 가해지는 수직으로 받는 힘의 크기로 정의 되며 kgf/㎠,psi,Mpa,bar 가 대표적인 압력 단위이다.

1 kgf/㎠(제곱미터당중량킬로그램) : kgf/cm2(비법정계량단위)1 kg/m2= 9.806 65 Pa (정확하게)이단위도2001년7월1일부터사용이중지된단위로서파스칼(Pa)로전환해서사용하여야합니다.

파스칼(pascal) : Pa(법정계량단위/유도단위)1 Pa = 1 N/m2 1960년SI가성립되었을때의압력의SI단위는“평방미터당뉴턴(N/m2)이였으나1971년파스칼(Pa)로바뀌었습니다. 이단위는실용상너무작아 Mpa로 사용됨

PSI (pounds per square inch) : lb/in² 읽는방법 : 피에스아이, 프사이 (lb에 k단위를 붙여 크사이라는 단위도 씀)의미 : 압력의 단위로 1inch²의 면적이 받는 무게(pound).참고 : 1pound(lb) = 453.599082g 1inch = 2.54cm

bar(barometer : 기압):1911년 노르웨이의 V.비예르크네스에 의해 도입되어 14년 기상통보에 사용하는 압력의 단위. 1bar의 압력은 해면에서 100m 정도의 압력으로, 기상관계에서는 이 단위가 너무 크므로 그 1/1,000인 밀리바(mb)를 쓴다. kg단위로 환산시 1bar =1.019716 kg/㎠이다.

압력 ( Pressure )

단위환산 1 standard atmoshpere prcssure = 1.0332 kgf /cm a = 101,325 N/M2 = 1,013 mbar

= 1.0 bar = 101,325 Pa = 14.7 Psi 1 Kg/cm2 = 0.9679 atm = 0.98 bar = 98,070 pa = 14.233 Psi 1.0 bar = 1.0197 kgf/cm2 = 0.9869 atm = 1,000 mbar = 14.50 Psi

= 100,000 Pa = 0.1Mpa

공기압축기의 요청 및 견적시 제공자는 수요측에 압축공기 제원( 대표적으로 압력 ,유량,용도 등)을 요구한다. 공기압 기계,공구류 등은 아직까지 전세계적으로 사용되는 단위는 과거 단위계화 혼동되어 사용되고 있고 당분간은 이를 환산해서 적용해야 한다.( 검색 : SI 단위계 참조)

1.2.2 온도 ( Temperature ): 온도란 물체를 구성하는 분자가 운동함으로써 생기는 운동에너지의 활동 정도를 수치적으로 표시하는 물리량으로, 물체가 뜨겁다 또는 차다고 하는 정도를 수량적으로 표시하는 것을 온도(Temperature)라고 합니다.온도의 단위는 켈빈(K)(열역학 온도의 단위) 또는 셀시우스 도(℃)(셀시우스 온도의 단위)로 표시합니다.

온도 ( Temperature )

외부온도계

통풍공기 입구

공기압축실(내부) 온도 = 외부공기온도 +5

배출(Ventilation)

유지관리 공간

( 제조마다 차이가 있습니다.)

내부온도계

공기압축기

CFM (Cubic Feet per Minute) : cfm는 cubic feet per minute의 약어이고 고체 액체 기체를 구분하지 않고 모두 사용되는 유량(Volume Flow Rate) 단위입니다. 기체의 경우 압력과 온도에 따라서 기체의 부피가 다라지기 때문에 cfm으로만 나타내면 실제로 얼마만큼의 유량이 되는지 알 수 없습니다.따라서 앞에 상황에 맞는 약어를 붙여 사용합니다.CFM 단위는 ft3/min 입니다.

ICFM ( Inlet CFM ): 축정부위 입력측에서 측정한 값 (온도=350C,압력=0.975bar,상대습도=60%)

SCFM(Standard CFM): 온도=15.6oC,압력=1.013bar,상대습도=0%

FAD:ISO1217 annex C에 규정하는 FAD 조건( 온도=200C, 압력=1bar , 상대습도=0%)

Nl/min: 온도=00C, 압력=1.013bar , 상대습도=0%에서의 유량

L/min@ bar(psi):(아래 압력비 유량표)

환산 : 1 CFM = (0.3048m)^3 / (1/60 hr) = 1.7 ㎥/h = 1.7*1,000L / (60min) = 28.32 L/min

공기생산량 (Volume Flow Rate): 유량

토출

l/min. m3/h c.f.m.

360

160

1 2 30 4 5 6 7 8 bar

Ltr./min.

12,0

10,0

8,0

cu.ft/min.

0 20 40 60 80 100 120 psi

9,0

320

280

240

200

50 Hz

60 Hz

압축기 효율( 압력비 유량표)

모든 공기압 액추에이터나 분사 노즐 ,기계 장비 공구류 등은 작동압력 ( Working Pressure)이 메뉴얼 상의 스펙에 나와있습니다.

예) 작동압력(Working Pressure) : 0.7 Mpa ( 100 psi)

공기소비량(Air Consumption) : 196 L/min

이 뜻은 196 L/[email protected] Mpa ( 100 psi) 라는 뜻입니다.이는 소비되는 측면에서 계산법 입니다.공기압축기에서 유량하고 다르므로 압축기 선정시꼭 참고바랍니다!!!

이것이 소비측 실제�

소비량� 계산법이다.

*공기압축기 유량 선정은 = 1. 시스템(주변기기,배관 등)의

압력강하

2. 작동체의 압력비 소비량3. 작동체의 사용대수 계수비4. 연속 가동조건 등 실제 사용

조건을 반영하여공기압축기를 선정한다.

유량은 임의의 단면(배관, 덕트)을 통하여 흐르는 유체의 부피(m3) 또는 질량(kg)의 시간에 대한 비율(m3/h,kg/h)을 말하며,측정단위는 체적유량(ex : m3/h, m3/min, m3/s)물, 공기나 가스의 경우 주로 체적유량 단위로 표시하며 배관내 평균속도(m/s)와 배관단면적(m2)의 곱으로 계산한다.

압축공기 시스템의 어느 지점에서 흐르는 양을 말하며 측정하는 위치에 따라 단위가 달라진다.

압축공기의 압력과 부피 ,온도가 일정할 때 압축공기의 압력이 감소하면 기체의 부피는 증가하고, 압축공기의 압

력이 증가하면 압축공기의 부피는 감소한다.

2 보일 법칙에서의 압축공기 일정한 온도에서 압축공기의 압력과 부피는 반비례한다.

⇨ P처음×V처음=P나중×V나중

⇨ 온도가 일정할 때 압축공기의 부피는 압력에 반비례하

므로 압력과 부피의 곱은 일정하다.

압력에 따른 압축공기의 부피 변화 5

온도가 일정할 때 외부 압력이 변하면 내부 압력이 외부 압력과 같아질 때까지 압축

공기의 부피가 감소하거나 증가한다.

압력(P)×부피(V)=일정

구분 압력 부피 압력×부피

(가) 1 10.0 10.0

(나) 2 5.0 10.0

(다) 4 2.5 10.0

압축공기 관련된 현상

① 하늘 높이 올라간 풍선이점점 커지다가 결국 터진다.

② 높은 산에 올라갈수록 과자봉지가 부풀어 오른다.

③ 잠수부가 내뿜은 공기 방울이수면 가까이 올라갈수록커진다.

④ 샴푸통의 꼭지 부분을 누르면 내용물이 밖으로 흘러나온다.

압축공기의 압력과 부피,온도

3 기체의 온도와 부피

1 기체의 온도와 부피 압력이 일정할 때 기체의 온도를 낮추면 부피가 감소하고,

기체의온도를 높이면 부피가 증가한다.

3 샤를법칙과관련된현상

① 열기구 속의 공기를 가열하면 열기구가 위로 떠오른다.

② 오랜 시간 고속도로를 달린자동차의 타이어가 팽팽해진다.

③ 여름에는 겨울보다 자동차 타이어의 공기를 적게 넣는다.

④ 물이 조금 들어 있는 페트병의마개를 막아 냉장고 속에넣으면페트병이 찌그러진다.

2 샤를법칙 일정한 압력에서 기체의 부피는 기체의 종류에 관계없이 온도가 1`°C 올라

갈 때마다 0`°C 때 부피의 1/273씩 증가한다. 8

⇨ 0`°C에서 기체의 부피는 0이 아니므로 그래프의 직선은 원점을 지나지 않는다.

V_t=V_0+V_0× t273

`̀=V_0(1+ t

273

`̀)

(V_t: t`°C 때 부피, V_0: 0`°C 때 부피)

온도(°C) 부피

0 V_0=V_0&+&V_0×0273

=V_0

273 V_t=V_0&+&V_0× 273273

=2V_0

• 기체의 온도가 낮아지면 기체의 분자 운동이 둔해지므로 기체의 부피가 감소한다.

• 기체의 온도가 높아지면 기체의 분자 운동이 활발해지므로 기체의 부피가 증가한다.

압력이 일정할 때 온도에 따른 기체의 부피 변화와 분자 운동 7

보일의 법칙 Boyle’s Law

pV const.

샤를의 법칙 Charles’ Law

const.T

V

const.

T

pV

이 상수의 값은기체분자의 개수에 비례할것이다

기체 분자의 개수가 n 몰이라면,

R

보편 기체 상수 universal gas constant pV

nT mol K

모든 기체에 대하여, 기체의 양과 상관 없이 성립

JR 8.3

1

이 법칙에 의하면 0 °C, 1 기압에서 모든 기체의 1 몰의 부피는22.4 리터이다.

pV nRT

이상 기체 법칙

기체 분자의 개수가 n 몰이라면, 실제의 개수 N 은 n 에 아보가드로 숫자를곱한 것과 같다

AN nN

이상 기체 법칙을 기체 분자의 개수 N 으로 표현하려면, 위 식을 사용하여n 을 소거하면 된다

RTN

NpV

A

볼츠만 상수 Boltzmann constant

K

J

N

Rk

AB

23101.38

pV Nk TB

용적식 공기압축기의 대표적인 피스톤식 왕복동 공기압축기의 전형적인 체적,온도,압력의 관계

왕복동식 압축기의 이론을 알면 용적식 공기압축기의 개념을 알수있다.

(1) 이론 사이클(ideal cycle): 이론을 간단히 하기 위해 다음의 가정을 한다.

① 피스톤은 실린더의 끝에서 끝까지 이동한다(체적간극이 없다).

② 공기의 상태는 실린더에 흡입되는 동안은 흡입구와 같다.(흡입필터 및 관로의 압력강하가 없다)

③ 피스톤의 마찰 및 밸브의 저항 등을 무시한다.

④ 압축된 공기는 압력용기에 들어가고 거기서의 압력, 온도는 변화하지 않는다.

이 가정은 壓力槽 내의 체적이 대단히 큰 경우든가, 압력조 내에서 배출되는 공기의

이 양이 각 순간에 압축기에서 보내는 공기의 양과 같은 경우에 성립된다.

-그림 3.20은 왕복 압축기의 이론 사이클을 나타낸다.

-피스톤의 흡입행정은 p=p1의 직선④-①으로 표시되고,

피스톤이 압축행정으로 이동한 때에(점①) 흡입밸브는 닫히고,

실린더 내에 가두어진 공기는 곡선 ①-②에 따라 상태변화를 하면서 압축되고,실린더 내의

압력이 압력조 내의 압력 p2에 이르면(점②) 토출밸브가 열리고,압축된 공기는 압력 p2를

기본으로 압력조 내에 억지로 보내진다.

-그러므로, 압력 p1을 기본으로 공기를 흡입하고이것을 압력 p2까지 상승해 보내는데 필요한 압축일은 면적 (④①②③)로 표시된다.

-흡입행정 동안에 실린더에 흡입된 공기의 체적을V, 질량을 M, 공기의 비체적을 v라 하면 압축일은

2

1

2

1

p

p

p

pvdpVdp ML

- 이 일량은 압축이 이루어지는 동안의 공기의 상태변화의과정에 따라 다르다. 실제 기계의 경우 이것을 정확히 아는것은 어렵지만, 냉각이 불충분한때는 단열변화에 가깝고,실린더 및 실린더 커버가충분히 냉각된 때는 등온압축과단열압축의 중간상태가 되어 1<n<k의 폴리트로픽 압축이라 간주할수 있다.

(2) 실제 사이클(real cycle): 실제 압축기에서 얻어지는 p-v선도를 나타내면 그림 3.21과 같으며 이것을지압선도(指壓線圖; indicated diagram)라 한다. 실제 압축기에서는 피스톤이맨 끝에 도달하더라도 피스톤과 실린더 커버의 사이에 약간의 틈새(clearance)가 있다. 이체적을 틈새체적(clearance volume)이라하고 운전시에 생기는 압축열에 의해 피스톤 및 피스톤 로드가 팽창하여 피스톤이 실린더 커버와 충돌하는 것을 피하기 위해 설치된다.

- 피스톤이 상사점(top dead centre)에 있을때 이를 상사점 간극(top clearance) vc이라 하고, 피스톤이

상사점에서 하사점(bottom dead centre)으로 움직이면 이 공간 내에 남아 있던 기체는 그림 3.21 (가)의

곡선 ③*-④*를 따라 팽창한다.

출처:경상대학교

P-V 선도

P

200 bar

1 bar

V

P

200 bar

1 bar

V

3. Stage

2. Stage

1. Stage

saving of work

-기체의 체적이 vd가 되어 압력이 흡입구 압력p1과 같아지면 흡입밸브가 열리고 흡입구로부터 실린더 내로기체가 흡입된다.

-그러므로 실린더 내로 흡입된 기체의 체적은 v1-vd가되고 실린더의 행정 체적은 v1-vc이다.

-기체의 팽창과정을 폴리트로픽 변화과정이라 하면p2vcn=p1vd

n이 되므로 체적효율 ηv는 대학교에서배운다.

- 왕복 압축기는 기체가 흡입밸브(suction valve)와 송출밸브(delivery valve)를 지날 때의유동 저항 때문에 실린더 내의 압력을 나타내는 p-v선도는 그림 3.21 (나)와 같이 된다.

- 피스톤의 하향 행정중 실린더 내의 압력이 흡입구 압력p1보다 흡입밸브에서의 유동 저항Δp1만큼

더낮아졌을 때(점④**) 흡입밸그가 열려 외기가 실린더 내로 흡입된다.

- 상향 행정중에는 실린더 내의 압력이 송출구 압력 p2보다 송출 밸브에서의 유동 저항 Δp2만큼 높아졌을 때 송출밸브가 열려 기체를 실린더 밖으로 밀어낸다.

- 공기의 흡입량은 일반적으로 흡입구에서의 공기의 상태로 나타내지므로, 그 상태로 환산하는데는 그

림에서 팽창선 및 압축선이 p=p1이 되는 선과 만나는 점에서 유효흡입량(effective suction volume), 즉 有效吸入行程(effective suction stroke)은 (v1*-vd)이다.

-실린더 내로 새로이 흡입된 공기는 잔류공기와 혼합하여 그 열을 받음과 동시에, 연속 사이클의 압축열에 의해 고온으로 된 실린더벽에서도 열을 받는다. 그러므로 압축 시작시의 공기의 온도 T1*는 흡입구에서의 공기의 온도 T1보다 높다.

-또, 압축 과정중에 실린더 내의 압력이 대기압(흡입구 압력)과 같아 졌을 때 기체의 온도는 압축일에 의해T1**가 된다.-따라서 압축 과정중에 일어나는 기체의 온도 상승을 감안하면 유효 흡입량은 (v1*-vd)T1/T1**이 되고 체적효율 ηv는대학에서 배운다.

출처:경상대학교

3단 P-V 선도

열(熱)은 따뜻한 정도가 서로 다른 두 물체가 접촉했을 때 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동하는 에너지를 말한다.어느기계 징비 들과 마찬가지로 공기압축기도 열을 방출하는 기계로 압축부 뿐만이 아니라 시스템 모든 부분에서 열전도, 열대류, 열복사의 방법으로 이동한다.

이다. 여기서 k는 열전도도로 물질에 따라 달라지는 상수이며 에너지를 빨리 전달하는 좋은 열전도체는 k값이 크다.

열전도. 에너지가 열의 형태로 고온 TH의 열저장고에서 저온 TC의 열저장고로, 두께가 L이고 열전도도가 k인 판을 통해 전달된다

압축공기 시스템의 열이동

압축기 본체 및 연결부의 모든부분의 열전당 :전도열전도. 에너지가 열의 형태로 고온 TH의 열저장고에서 저온 TC의 열저장고로, 두께가 L이고 열전도도가 k인 판을 통해 전달된다전도는 고체에서 열의 전달이 일어나는 가장 중요한 형태이다. 미시적인 관점에서 볼 때, 전도는 뜨겁고, 빠르게 운동하거나 진동하고 있는 원자, 분자들이 인접해있는 원자, 분자들과 상호작용하면서 이들 이웃 원자들에게 그들의 에너지(열)의 일부를 전달하는 방식으로 일어난다. 즉 전도는 물체 속에서 열이 순차적으로 전달되어 가는 현상을 말한다. 전도에 의한 열의 전달속도는 물체 단위길이당 온도차에 비례하며, 물체의 재질에 따라 달라진다. 면적이 A이고 두께가 L인 판의 양면의 온도가, 한 면은 뜨공냉식 후부 냉각기 거운 열저장고에 의해 TH로, 나머지 한 면은 차가운 열저장고에 의해 Tc로 일정하게 유지될 때, 단위 시간당 전달되는 에너지양, 즉 전도율Pcond는

대류

대류는 액체와 기체 내에서 일어나는 열 전달의 주된 형태이다. 대류라는 용어는 전도와 유체 흐름의 복합적인 효과의 성격을 나타내기 위해 사용하는 용어이다. 일반적으로 온도가 상승하면 밀도가 감소한다. 따라서 물이 가열될 때 냄비 바닥에 있는 뜨거운 물은 위로 올라가고, 상대적으로 차갑고 밀도가 큰 액체는 아래로 내려간다. 이러한 혼합과 전도의 결과 거의 동일한 밀도와 온도가 된다. 대류는 일반적으로 두 가지 방식으로 구별된다. 중력과 부력에 의해 유체의 운동이 야기되는 자유대류와 유체를 움직이기 위해 선풍기나 교반기 등의 도구를 사용하는 강제대류로 구분된다. 부력 대류는 중력에 의한 현상이므로 중력이 거의 없는 환경에서는 일어나지 않는다.

압력용기

압축공기의 부하에 따른 압력강하는 모두 열로 변환되어 소중한 에너지를 낭비하게 된다. 그래서 시스템 설계가 매우 중요하다.!

복사에 의한 열의 방출

복사빨갛게 달군 뜨거운 철기구의 열이 복사를 통해 주변 환경에 전달되고 있다.복사는 유일하게 매질이 없는 상황에서도 일어날 수 있는 열전달의 형태이다. 따라서 복사는 진공에서 열전달이 일어날 수 있는 유일한 방법이다. 열적 복사는 물질 속의 원자들과 분자들의 운동 때문에 나타나는 직접적인 결과이다.

빨갛게 달군 뜨거운 철기구의 열이 복사를 통해 주변 환경에 전달되고 있다.

온도 변화 와 비열같은 질량(예를 들어 1g)의 여러 물질에 같은 양의 열을 가하더라도 물질마다 온도가 증가하는 정도가 다르다. 열에 의해 온도가 증가하는 정도를 나타내기 위해 비열을 사용한다.

비열 = 물질 1g을 1oC 올리는데 필요한 열의 양

비열의 단위로는 cal/g.oC, J/g.oC 등이 있다.

물질 상태 비열 (Jg-1K-1)

수소 기체 14.30

헬륨 기체 5.19

공기 기체 1.01

물

기체 2.08

액체 4.18

고체 2.11

에탄올 액체 2.44

철 고체 0.45

구리 고체 0.39

금 고체 0.13

아스팔트 고체 0.92

유리 고체 0.84

모래 고체 0.84

인체(평균) 3.5

아래의 표로부터 일반적으로 금속의 비열이 아주 작다는 것을 알 수 있다. 비열이 작다는 것은 작은 열로도 온도를 많이 높일 수 있다는 뜻이다. 금속의 그러한 성질 때문에 조리 기구로 많이 사용된다. 물의 비열은 다른 액체에 비해 큰 편이다. 비열이 높다는 것은 온도가 조금 오르면서 많은 열을 흡수할 수 있다는 뜻이기도 한다. 따라서 물을 수냉식 애프터 쿨러로 사용하여 고열의 압축공기로부터 열을 빼앗아주는 냉각 물질로 흔히 사용된다.

참고: 몰 열용량 Cm)

물질 1mol을 1 C 올리는데 필요한 열량

q = ( Cm) × ( 물질의 몰수 ) × ΔT

예를 들어, 물의 비열은 4.179J/g C이며 몰 열용량은 비열 × 18 = 75.29J/mol C이다.

(3) 열역학 제2법칙:만약 어떤 닫힌 계의 엔트로피가 열적 평형 상태에 있지 않다면 엔트로피는 계속 증가해야 한다는 법칙이다. 닫힌 계는 점차 열적평 형 상태에 도달하도록

변화한다.(즉, 엔트로피를 최대화하기 위해 계속 변화한다.)

우주 ≥

(4) 열역학 제3법칙: 온도가 0K로 접근하면, 순수한 물질의 엔트로피는 0에 접근된다.

: 순수 결정성 물질의 엔트로피는 절대 온도에서 0이다.

열역학 법칙

기초과학에서의 열역학열역학은 에너지를 공부하는 학문 또는 물질의 성질과 상태를 이해하는 학문이라고 할 수있다. 물질이란 무엇이며, 물질이 어느 조건하에서 어떤 상태에 있다고 하는 것이 무엇을의미하는가를 이야기하는 것이 열역학이다. 또 다른 표현으로 열과 일 그리고 에너지의 관계를 체계적으로 규명하는 학문이라고 할 수도 있다. 열역학은 과학과 공학의 여러 분야에서 근간을 이루는 학문으로, 과학의 기초를 공부하는 과정에서 조금씩 공부하였다. 일반물리학의 교과서에서는 아마도 다음에 열거한 것처럼여러 가지 제목으로 나뉘어져 있었을것이다.

온도 (Temperature)열과 열역학의 제1법칙 (Heat and the First Law of Thermodynamics)기체 운동론 (Kinetic Theory of Gases)엔트로피와 열역학의 제2법칙 (Entropy and the Second Law of Thermodynamics)

(1)열역학 제0법칙:만약 두 개의 계가 다른 세번째 계와열적 평형 상태에 있으면 이두 개의 계는 반드시 서로에 대해 열적 평형 상태이어야 한다는 것이다. 이법칙은 온도를 정의하는 하나의 방법이 다.

(2)열역학 제1법칙:고립된계에 에너지는 일정하다는 것이다.에너지는 다른 것으로전환될 수 있지만 생성되거나 파괴될 수는 없다. 열역학 적 의미로는 내부 에너지의변화가공급된 열에 일을빼준 값과 동일하다는 말이다

(1)이상기체의 열역학적 상태 변화: 이상 기체의 열역학적인 상태 변화란 어느 이상 기체의

온도, 압력, 부피등의 물리량 이 변화되는 과정을 의미한다.

(2) 가역 등압 과정①내부 에너지 변화() - 열역학 제1법칙에 의해 출입된 열과 일의 합으로 구한다.

② 열() - 이상 기체는 열이 출입된 만큼 온도가 증감하므로 온도 변화를 측정하여 출입된 열의 양을 알 수 있다.

( : 몰 수, : 일정 압력 몰열용량)

③ 일() - 일정한 압력 조건에서 부피가 변한 만큼 주위에 일을 하거나 받게 되므로 부피 변화를 측정하여 출입된 일의 양을 알 수 있다.

초기압력

나중압력

=

④ 엔탈피 변화() - 엔탈피 변화의 정의는 일정 압력 조건에서의 열()과 같다.

( : 몰 수, : 일정압력 몰열용량)

⑤ 엔트로피 변화() - 무질서한 정도를 의미하고 일정 압력 조건에서는 온도가 증 가한 만큼 무질서도가증가한다.

=

가역=

이상 기체의 열역학

공기압축기의에서 이상기체 열역학적 상태변화는 크게보면 모든부분에서 모두 일루어진다.그러나 이걸 계산하하기는 쉽지않다. 그래서 이해를 하려면 개별적으로 분석하여 전체적인 개념을 이해해야 한다.반듯이 이해가고 넘어가야 한다.

초기 열역학적 상태에서 나중 열역학적 상태로의 변화열역학적 상태 : 압력, 부피, 온도가 일정하게 유지되는 하나의 상태로 이상 기체의 열역학적 상태는 이상 기체 상태 방정식 을 통해 압력, 부피,온도 중 두 가지 물리량만 결정되면 나머지 열역학 함수들을 계산할 수 있다.온도, 압력, 부피가 모두 변하는 과정은 복잡한 수학 지식이 수반되어야 하므로 우선한 가지 물리량은 고정시키고 나머지 두 가지 물리량의 변화에 따른 과정을 정리한다

이상 기체의 등압, 등적, 등온 과정의 열역학 함수

매우중요� �(� �V�e�r�y� �I�m

�p�o�r�t�a�n�t�!�)

(3)가역 등적 과정

①내부 에너지 변화() - 열역학 제1법칙에 의해 출입된 열과 일의 합으로 구한다.

② 열() - 이상 기체는 열이 출입된 만큼 온도가 증감하므로 온도 변화를 측정하여

출입된 열의 양을 알 수 있다.

(: 몰 수, : 일정부피 몰열용량)

③ 일() - 일정한 부피 조건에서는 부피 변화가 없으므로 일에 의한 에너지 출입은

없다.

초기압력

나중압력

= 0

④ 엔탈피 변화() - 엔탈피 변화의 정의는 일정 압력 조건에서의 열()과 같다.

(: 몰 수, : 일정 압력 몰열용량)

: 실험을 행한 조건이 일정 부피 조건이지만 엔탈피 변화량()은 일정 압력에서

의 열로 계산된다. 따라서 일정 부피 조건에서의 열과 엔탈피 변화량()은 같

지 않다.

⑤ 엔트로피 변화() - 무질서한 정도를 의미하고 일정 부피 조건에서는 온도가 증

가한 만큼 무질서도가 증가한다.

=

가역 =

(4)가역 등온 과정

①내부 에너지 변화() - 열역학 제1법칙에 의해 출입된 열과 일의 합으로 구한다.온도변화가 없다면 운동 에너지 변화가 없으므로 등온 과정에서는 내부 에너지 변화가 없다.

=0

② 일() - 일정한 온도 조건에서 부피가 변한 만큼 주위에 일을 하거나 받게 되므로

부피 변화를 측정하여 출입된 일의 양을 알 수 있다.

초기압력

나중압력

=

(∵ )

=

③ 열() - 온도가 일정하므로 출입된 열이 없을 거라 착각하는 경우가 많다. 온도가

일정하면 내부 에너지 변화가 0인 것은 맞다. 하지만 일을 한 만큼 열에 의한 에너지가 출입

되어야 한다.

=

(∵ )

④ 엔탈피 변화() - 엔탈피 변화의 정의는 일정 압력 조건에서의 열()과 같다.

(: 몰 수, : 일정압력 몰열용량)

⑤ 엔트로피 변화() - 무질서한 정도를 의미하고 일정 온도 조건에서는 부피가 증

가한 만큼 무질서도가 증가한다.

=

가역 =

(5) 가역 단열 과정①내부 에너지 변화() - 열역학 제1법칙에 의해 출입된 열과 일의 합으로 구한다.

② 열() - 단열 조건이란 열의 출입이 없는 조건을 말한다.

③ 일() - 열의 출입이 없으므로 일의 양은 와 같다.

④ 엔탈피 변화() - 엔탈피 변화의 정의는 일정 압력 조건에서의 열()과 같다.

( : 몰 수, : 일정 압력 몰열용량)

⑤ 엔트로피 변화() - 무질서한 정도를 의미하고 일정 부피 조건에서는 온도가 증

가한 만큼 무질서도가 증가한다.

=

가역 = 0 (∵ )

비-가역변화(irreversible change) - 엔트로피 변화의 총합이 증가

물체에 어떤 변화를 가한 다음, 그 상태를 다시 변화 전의 원래의 상태로 복귀시키는 경우, 이때 물체 자신이 다시 원래의 상태로 복귀하면서 다른 어떤 변화를 주위에 남길 경우를 비-가역변화라 한다.(가능한 모든 방법을 사용해도)

예를 들면 고온물체와 저온물체를 서로 접촉시키면 언젠가는 서로 온도가 같아지게 된다. 그러나 이들을 다시 원래의 온도로 복귀시키고자 할 경우, 고온물체는 가열해야 하고, 저온물체는 냉각시켜야 한다. 가열 또는 냉각시키기 위해서는 별도의 장치를 필요로 하며, 또 주위의 대기 등에 어떤 변화를 남기게 된다.

가역변화(reversible change) - 엔트로피 변화의 총합이 0(zero)인 변화

비-가역적인 변화가 아닌 변화 즉, 어떤 변화에서 하나의 시스템이 열역학적 상태 S1로부터 시작해서 상태 S2에 도달케 한 다음, 다시 상태 S1로 복귀시키는 경우에, 사용할지도 모르는 다른 물체도 사용 전의 역학적 상태로 복귀시킬 수 있을 때, S1에서 S2로의 변화를 가역변화라고 한다.

예를 들면 마찰이 없는 진공 속에서 운동하는 진자는 운동에너지와 위치에너지가 상호 전환하여 주기적으로 원상태로 복귀한다. 이와 같은 변화 즉, 하나의 역학적 상태에서 다른 역학적 상태로의 변화를 반복할 수 있는 경우를 가역변화라 한다.

엔탈피 (enthalpy)열역학적 상태를 표시하는 물리량의 하나. 물체 내부 에너지와 밖에서 가해진 압력으로 인한 부피 변화량을 합한 것, 즉 H=U+pV(U는 내부 에너지, p는 압력, V는 부피)로 정의된다.

엔트로피 (entropy)열역학에서 중요한 제1법칙은 에너지보존의 법칙, 즉 우주에 존재하는 에너지 총량은 일정하며 절대 변하지 않는다는 것이다. 제2법칙은 대부분 자연현상의 변화는 어떤 일정한 방향으로만 진행한다. 즉, 이미 진행된 변화를 되돌릴 수 없다는 의미이다. 따라서 자연 물질계의 변화는 엔트로피의 총량이 증가하는 방향으로 진행한다. 이것을 엔트로피 증가의 법칙이라고 한다. 즉 가용할 수 있는 에너지는 일정한데 자연의 물질은 일정한 방향으로 만 움직이기 때문에 무용한 상태로 변화한 자연현상이나 물질의 변화는 다시 되돌릴 수 없다는 것이다. 즉 다시 가용할 수 있는 상태로 환원시킬 수 없는, 무용의 상태로 전환된 질량(에너지)의 총량을 '엔트로피(entropy)'고 한다