최재영 한국폴리텍 정수캠퍼스 교수(건축기계설비기술사, 공조냉동기계기술사)
제1장 열역학 기본사항
1-1 열역학과 응용
열역학(thermodynamics)은 물질(substance)과 주위(surrounding)사이 물리적 변화 및 화학적 반응에 의해서 생기는 에너지의 수수(授受)나 변화, 그로 인하여 생기는 형태 변화를 연구하는 학문, 즉 작동물질(working substance)의 여러 성질에 관련된 에너지 전달을 취급하는 학문이 열역학(thermodynamics)이며, 그 공학적인 응용분야를 연구 및 해석하는 것이 공업 열역학(engineering thermodynamicsor technical thermodynamics)이다.
모든 공업 활동은 에너지와 물질사이의 상호작용을 수반하기 때문에 열역학과 연관되지 않는 분야는 거의 없다. 그러므로 열역학의 기초이론 및 응용에 대한 내용은 기계공학 교육의 필수적인 부분으로 인정되고 있다.
(1) 열역학의 응용분야
우리가 살고 있는 집은 열역학적인 물건들로 가득 찬 전시관이다. 대부분의 가정용품과 설비들은 전체적으로 또는 부분적으로 열역학 원리를 이용하여 설계된다. 예를 들면, 전자레인지나 가스레인지, 에어컨, 냉장고, 히터, 가습기, 압력밥솥, 온수기, 샤워기, 다리미, 컴퓨터, TV 및 VCR 장치 등이다. 또한 보다 규모가 큰 열기관(heat engine), 즉 내연기관(internal combustion engine), 증기원동기(steam power plant), 가스터빈(gas turbine)등과 공기압축기(air compressor), 송풍기(blower), 냉동기(refrigerator), 열펌프(heat pump)등 광범위하며, 또한 인체는 열역학의 흥미 있는 분야이다.
(2) 열역학의 관점
열역학은 크게 두 가지 관점에서 볼 수 있는데, 하나는 열역학의 미시적인 관점(microscopic point of view)이고, 다른 하나는 열역학의 거시적인 관점(macroscopic point of view)이다. 미시적 열역학은 분자 혹은 원자수준, 또는 그보다 작은 기본적인 입자(소립자) 수준에서 물질의 상태를 설명해 주는 것이라고 할 수 있다. 보는 관점에 따라서 열역학은 물질에 관한 과학을 다루는 학문의 전부라고 말할 수도 있다.
거시적인 열역학에서는 열역학이 뜨거운 것에 관한 것이라고 쉽게 생각할 수 있는 것처럼, 사람이 측정하고 감지할 수 있는 범위 안의 대상을 다루게 될 것이다. 우리가 관심을 갖고 있는 에너지와 에너지 변환장치, 이제부터 더 큰 관심을 끌기 시작하는 환경을 생각해 보면 열역학은 사람이 살아있다는 것, 사람이 살고 있는 운명 전체가 걸려있는 아주 광범위한 대상이라는 것을 알 수 있다.
기계공학에서 관심을 갖고 있는 열역학의 주제를 요약하면 다음과 같다. 우선, 물질은 무엇이며 그 물질의 성질은 무엇인가를 알아볼 것이다. 여러가지 물질 중에서 특별히 물과 공기를 주로 다룰 것이며 그 이유는 각종 에너지 변환장치들과 같은 실제적인 응용에서 가장 많이 쓰이기 때문이다.
다음으로 에너지 보존법칙, 즉 에너지는 저절로 생기거나 없어지지 않고 다만 한 형태에서 다른 형태로 바뀌어질 뿐이라는 것에 대하여 이야기 할 것이다. 에너지 보존법칙은 많은 학생들에게 이미 익숙한 개념일 것이다. 여기서 우리는 이 원칙을 실질적인 장치 (이미 존재하거나, 앞으로 있을 수 있는 장치)를 해석하는데 응용하게 될 것이다. 마지막으로 상태가 변하는 과정에는 이미 정해져 있는 방향이 있다는 것, 즉 한쪽 방향으로는 가능하지만 되돌릴 수는 없는 방향성이 있다는 것을 알아볼 것이며 엔트로피와 열역학 제 2법칙이라는 형태로 체계화 할 것이다.
이러한 기본적인 지식을 기반으로 구체적인 에너지 변환장치가 어떻게 운전되고, 어떻게 설계되는가를 알아보는 것이 중요하다. 가장 대표적인 것은 열을 이용하여 동력을 만드는 동력 사이클과, 동력을 사용하여 열을 이동시키는 냉동사이클이다.
중략...
2026년 원간 에너지관리 5월호 게재
최재영 한국폴리텍 정수캠퍼스 교수(건축기계설비기술사, 공조냉동기계기술사)
제1장 열역학 기본사항
1-1 열역학과 응용
열역학(thermodynamics)은 물질(substance)과 주위(surrounding)사이 물리적 변화 및 화학적 반응에 의해서 생기는 에너지의 수수(授受)나 변화, 그로 인하여 생기는 형태 변화를 연구하는 학문, 즉 작동물질(working substance)의 여러 성질에 관련된 에너지 전달을 취급하는 학문이 열역학(thermodynamics)이며, 그 공학적인 응용분야를 연구 및 해석하는 것이 공업 열역학(engineering thermodynamicsor technical thermodynamics)이다.
모든 공업 활동은 에너지와 물질사이의 상호작용을 수반하기 때문에 열역학과 연관되지 않는 분야는 거의 없다. 그러므로 열역학의 기초이론 및 응용에 대한 내용은 기계공학 교육의 필수적인 부분으로 인정되고 있다.
(1) 열역학의 응용분야
우리가 살고 있는 집은 열역학적인 물건들로 가득 찬 전시관이다. 대부분의 가정용품과 설비들은 전체적으로 또는 부분적으로 열역학 원리를 이용하여 설계된다. 예를 들면, 전자레인지나 가스레인지, 에어컨, 냉장고, 히터, 가습기, 압력밥솥, 온수기, 샤워기, 다리미, 컴퓨터, TV 및 VCR 장치 등이다. 또한 보다 규모가 큰 열기관(heat engine), 즉 내연기관(internal combustion engine), 증기원동기(steam power plant), 가스터빈(gas turbine)등과 공기압축기(air compressor), 송풍기(blower), 냉동기(refrigerator), 열펌프(heat pump)등 광범위하며, 또한 인체는 열역학의 흥미 있는 분야이다.
(2) 열역학의 관점
열역학은 크게 두 가지 관점에서 볼 수 있는데, 하나는 열역학의 미시적인 관점(microscopic point of view)이고, 다른 하나는 열역학의 거시적인 관점(macroscopic point of view)이다. 미시적 열역학은 분자 혹은 원자수준, 또는 그보다 작은 기본적인 입자(소립자) 수준에서 물질의 상태를 설명해 주는 것이라고 할 수 있다. 보는 관점에 따라서 열역학은 물질에 관한 과학을 다루는 학문의 전부라고 말할 수도 있다.
거시적인 열역학에서는 열역학이 뜨거운 것에 관한 것이라고 쉽게 생각할 수 있는 것처럼, 사람이 측정하고 감지할 수 있는 범위 안의 대상을 다루게 될 것이다. 우리가 관심을 갖고 있는 에너지와 에너지 변환장치, 이제부터 더 큰 관심을 끌기 시작하는 환경을 생각해 보면 열역학은 사람이 살아있다는 것, 사람이 살고 있는 운명 전체가 걸려있는 아주 광범위한 대상이라는 것을 알 수 있다.
기계공학에서 관심을 갖고 있는 열역학의 주제를 요약하면 다음과 같다. 우선, 물질은 무엇이며 그 물질의 성질은 무엇인가를 알아볼 것이다. 여러가지 물질 중에서 특별히 물과 공기를 주로 다룰 것이며 그 이유는 각종 에너지 변환장치들과 같은 실제적인 응용에서 가장 많이 쓰이기 때문이다.
다음으로 에너지 보존법칙, 즉 에너지는 저절로 생기거나 없어지지 않고 다만 한 형태에서 다른 형태로 바뀌어질 뿐이라는 것에 대하여 이야기 할 것이다. 에너지 보존법칙은 많은 학생들에게 이미 익숙한 개념일 것이다. 여기서 우리는 이 원칙을 실질적인 장치 (이미 존재하거나, 앞으로 있을 수 있는 장치)를 해석하는데 응용하게 될 것이다. 마지막으로 상태가 변하는 과정에는 이미 정해져 있는 방향이 있다는 것, 즉 한쪽 방향으로는 가능하지만 되돌릴 수는 없는 방향성이 있다는 것을 알아볼 것이며 엔트로피와 열역학 제 2법칙이라는 형태로 체계화 할 것이다.
이러한 기본적인 지식을 기반으로 구체적인 에너지 변환장치가 어떻게 운전되고, 어떻게 설계되는가를 알아보는 것이 중요하다. 가장 대표적인 것은 열을 이용하여 동력을 만드는 동력 사이클과, 동력을 사용하여 열을 이동시키는 냉동사이클이다.
중략...
2026년 원간 에너지관리 5월호 게재