열역학 1.2.4-1.2.5
기초 열역학Chapter 01 열역학 기초 › Section 02
1.2.4~1.2.5 사이클, 작업 유체
과정이 여러 개 이어져 제자리로 돌아오면 사이클. 그 길을 돌며 에너지를 실어 나르는 물질이 작업 유체. 기계가 일하는 것처럼 보여도, 실제로 에너지를 나르고 바꾸는 것은 그 안을 도는 유체임.
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1.2.4~1.2.5 사이클, 작업 유체 · 약 13분
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01사이클 — 한 바퀴 돌아 제자리로교재 21p
- 사이클(Cycle) — 여러 과정이 연속으로 이어지고, 마지막에 다시 처음 상태로 돌아오는 순환 과정.
- 한 바퀴가 끝나면 — 계의 모든 상태량(P, V, T)이 원래 값으로 복귀.
- 제자리로 돌아와야 하는 이유 — 같은 일을 계속 반복하기 위해서. 한 번 일하고 끝나면 기계로서 쓸모가 없음.
- 주의할 구분 — 제자리로 돌아오는 것은 상태량. 그동안 바깥으로 내보낸 일은 이미 쓰인 뒤라 사라지지 않음.
자전거 페달처럼
- 한 바퀴 밟으면 원래 위치로 돌아옴 → 그래서 다시 밟을 수 있음.
- 페달은 제자리로 돌아와도 자전거는 앞으로 나아가 있음 — 상태량은 복귀하고 일은 남는다는 뜻.
02이상 사이클 — 실제 엔진을 단순하게교재 21p
- 오토·디젤 사이클은 실제 엔진이 아님 — 실제 엔진을 이상화한 모형.
- 왜 이상화하는가 — 실제 엔진 안에서는 연료가 타고, 가스가 섞이고, 열이 여기저기로 새어 나감. 그대로 계산하기 어려우므로 중요한 뼈대만 남김.
- 뼈대를 이루는 재료 — 앞 절에서 배운 단열 과정 · 정적 과정 · 정압 과정. 이 과정들을 조합해 사이클 하나를 구성.
03열기관 사이클 세 가지교재 21p~22p
열기관은 사이클을 통해 열에너지를 유용한 기계적 일로 변환.
1랭킨 사이클 Rankine
- 증기 터빈 발전소에서 전기를 생산하는 기본 사이클. 작업 유체는 물과 증기.
- 네 장치를 순환 — 보일러(가열) → 터빈(일 생산) → 응축기(방열) → 펌프(가압)
- 보일러·응축기는 정압, 터빈·펌프는 단열.
- 화력·원자력 발전소 안에서 돌아가고 있는 것이 바로 이 사이클.
2오토 사이클 Otto
- 가솔린 엔진의 작동 원리를 설명하는 이상 사이클. 작업 유체는 공기.
- 실제 4행정(흡기·압축·폭발·배기)을 네 과정으로 재정리.
- 단열 압축 → 정적 가열 → 단열 팽창 → 정적 방열
3디젤 사이클 Diesel
- 디젤 엔진의 작동 원리를 설명하는 이상 사이클. 작업 유체는 공기.
- 실제 기관은 공기만 압축한 뒤 연료를 분사해 자연 발화시킴.
- 단열 압축 → 정압 가열 → 단열 팽창 → 정적 방열
04오토와 디젤, 무엇이 다른가교재 22p
| 과정 | 오토 사이클 | 디젤 사이클 |
|---|---|---|
| ① 압축 | 단열 압축 — 동일 | |
| ② 열 공급 | 정적 가열 (체적 일정) | 정압 가열 (압력 일정) |
| ③ 팽창 | 단열 팽창 — 동일 | |
| ④ 방열 | 정적 방열 — 동일 | |
- 다른 것은 열 공급 방식 하나뿐 — 그리고 이 하나가 두 사이클을 가르는 핵심.
- 오토가 정적인 이유 — 불이 붙어 다 타는 시간이 매우 짧고, 그때 피스톤은 최상단 근처에서 방향을 바꾸는 중이라 거의 제자리. 그래서 타는 동안 체적이 변하지 않았다고 봄.
- 디젤이 정압인 이유 — 연료를 한 번에 넣지 않고 조금씩 뿜어 넣으며 태움. 태우는 만큼 압력이 오르려 할 때 피스톤이 내려가며 다시 낮춤. 이 둘이 균형을 이뤄 압력이 일정하다고 봄.
05작업 유체 — 에너지를 나르는 물질교재 23p
- 작업 유체(Working Fluid) — 열과 일을 전달하며 에너지를 변환하는 핵심 물질. 동작 물질 · 작동 유체도 같은 말.
- 하는 일 세 가지
- 상태 변화 — 장치 안을 순환하며 압력·부피·온도가 계속 바뀜
- 열 전달 — 외부로부터 열을 흡수하거나 외부로 방출
- 일 전달 — 팽창하며 피스톤·터빈을 밀거나, 펌프·압축기의 일을 받음
- 상변화 — 일부 사이클에서는 액체와 기체 사이의 상변화가 일어남(랭킨 사이클의 물↔증기).
택배 기사에 비유하면
- 에너지라는 짐을 한 곳에서 받아 다른 곳으로 옮기고, 다시 처음 자리로 돌아와 반복.
- 다만 짐을 그대로 전하지 않음 — 열기관에서는 열로 받아 일로 바꾸어 내놓음. 냉장고에서는 반대로 일을 받아 열을 옮김.
- 받은 열을 전부 일로 바꾸지는 못함 — 제2법칙대로 일부는 반드시 열인 채로 버려짐.
06작업 유체의 세 가지 예교재 23p
1물과 증기
- 보일러와 증기 터빈이 있는 증기 발전소에서 사용.
- 보일러에서 고온·고압 증기 → 터빈 회전 → 응축되어 물 → 다시 순환.
2냉매
- 냉동기·에어컨에서 사용. 프레온, 암모니아 등 특수 물질.
- 낮은 온도에서 열을 흡수해 증발, 높은 온도에서 방출하며 응축.
3공기와 연소가스
- 가솔린·디젤 엔진 등 실제 내연기관에서 사용.
- 압축 전에는 공기(또는 혼합기), 연소 후에는 고온·고압의 연소가스.
- 공기 표준 사이클 — 이상 오토·디젤 사이클에서는 작업 유체를 그냥 공기로, 연소를 단순한 열 공급으로 가정함. 이 두 가지를 가정한 사이클을 이렇게 부름.
07Section 02를 마치며 — 다섯 개의 기본 용어교재 13p~23p
이 다섯이 순서대로 이어짐. 앞으로 어떤 열역학 장치를 만나도 이 순서대로 물어보면 됨.
- ① 계 — 어디까지가 관심 대상인가
- ② 상태와 상태량 — 지금 어떤 조건에 놓여 있는가
- ③ 과정 — 그 상태가 어떻게 변해 가는가
- ④ 사이클 — 그 과정들이 어떻게 한 바퀴를 이루는가
- ⑤ 작업 유체 — 그 안에서 에너지를 나르는 것은 무엇인가
이 절의 핵심 정리
- 사이클은 과정들이 이어져 처음 상태로 돌아오는 순환 — 상태량은 복귀하고 일은 남는다
- 이상 사이클은 실제 엔진이 아니라, 단열·정적·정압으로 뼈대만 남긴 모형이다
- 대표 사이클 — 랭킨(발전소) · 오토(가솔린) · 디젤(디젤)
- 오토와 디젤의 차이는 열 공급 방식 하나 — 정적 가열 vs 정압 가열
- 작업 유체는 상태 변화 · 열 전달 · 일 전달을 담당하며 에너지를 실어 나른다
강의 자료1.2.4~1.2.5 사이클, 작업 유체
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