카르노 사이클 — 네 과정 | 기초 열역학 2.3.2-2
기초 열역학Chapter 02 열역학 법칙과 이상기체 › Section 03 열역학 제2법칙
2.3.2-2 카르노 사이클 — 네 과정
만들 수는 없지만 잣대가 되는 기관이 카르노 사이클임. 등온과 단열이 번갈아 두 번씩 놓인 네 과정을 P–V 와 T–S 두 선도에서 따라가고, 카르노 원리 두 가지를 정리함.
01카르노 사이클 — 만들 수 없으나 잣대가 되는 기관교재 110p
- 카르노 사이클(Carnot Cycle) — 1824년 사디 카르노가 제안한 이상적인 열기관 사이클.
- 정의 — 주어진 두 온도의 열원(고온 열원 TH · 저온 열원 TL) 사이에서 작동할 수 있는 이론적인 최대 효율의 열기관. 같은 두 열원을 쓰는 한 이보다 높은 효율은 없음.
- 짜임 — 마찰이나 비가역성 없이 진행되는 가역 과정만 넷을 이어 붙인 것. 2.3.1 에서 본 「실제로는 이르지 못하는 한계」 그 과정.
- 쓰임 — 실제 구현은 불가능하나, 모든 실제 열기관 성능의 이론적 한계와 기준을 제시함. 만들 수는 없어도 실제 기관을 견주어 보는 잣대.
02두 선도에 함께 그리면 — 한쪽은 닫힌 곡선, 한쪽은 직사각형교재 110p
- P–V 선도 — 상태 1부터 4까지 네 점을 잇는 곡선이 한 바퀴를 돌아 닫힘. 등온 구간 둘에 T 일정, 단열 구간 둘에 S 일정으로 표시됨.
- T–S 선도 — 같은 사이클인데 모양이 단정한 직사각형이 됨. 등온 과정은 가로 방향 곧은 선, 단열 과정은 세로 방향 곧은 선이 되기 때문.
- 열이 드나드는 자리 — P–V 선도에서는 굵은 화살표로, T–S 선도에서는 가로 선 두 개로 드러남.
- 앞 편과 잇기 — 앞 편 T–S 선도에서 본 그 직사각형이 곧 이 사이클. 두 선도를 나란히 그린 것이 교재 110p [그림 2.9].
03앞의 두 과정 — 팽창하며 외부에 일을 함교재 110p
11 → 2 등온 팽창
- 고온 열원 TH 에서 열 QH 를 흡수함.
- 온도를 일정하게 붙잡은 채 천천히 팽창함.
- 「천천히」가 붙는 까닭 — 온도를 유지하려면 열을 계속 넣어 주어야 하기 때문.
22 → 3 단열 팽창
- 외부와 열 교환이 차단된 채 팽창하며 외부에 일을 함.
- 온도가 TH 에서 TL 로 내려감.
- 열을 받지 않고 제 안의 에너지를 꺼내 씀.
04뒤의 두 과정 — 압축되어 처음 상태로 돌아옴교재 111p
13 → 4 등온 압축
- 저온 열원 TL 으로 열 QL 을 방출함.
- 온도를 일정하게 유지한 채 압축됨.
24 → 1 단열 압축
- 열 교환이 차단된 채 압축됨.
- 온도가 TL 에서 TH 로 올라 처음 상태로 되돌아감 — 여기까지가 한 사이클.
05네 과정 한눈에 — 무엇을 주고받는가교재 110p~111p
| 과정 | 종류 | 주고받는 것 |
|---|---|---|
| 1 → 2 | 등온 팽창 | 고온 열원에서 열 QH 를 받음 |
| 2 → 3 | 단열 팽창 | 열 없음 · 온도만 TH → TL |
| 3 → 4 | 등온 압축 | 저온 열원으로 열 QL 을 버림 |
| 4 → 1 | 단열 압축 | 열 없음 · 온도만 TL → TH |
늘어놓으면 보이는 규칙
- 열은 등온 과정에서만 드나듦. 단열 과정 둘은 열을 주고받지 않고, 두 열원의 온도 사이를 오가게 하는 구간일 뿐임.
- 단열 과정 둘은 가역 단열이므로 엔트로피가 변하지 않음 — T–S 선도에서 세로 방향 곧은 선으로 나타나는 까닭.
06카르노 원리 두 가지 — 넘어설 수 없는 기준교재 111p
- ① 비가역 기관 — 같은 고온·저온 열원 사이에서 작동하는 모든 비가역(실제) 열기관의 효율은 카르노 기관의 효율보다 낮음.
- ② 가역 기관 — 같은 열원 사이에서 작동하는 모든 가역 열기관의 효율은 작동 유체에 관계없이 모두 같으며, 카르노 효율과 같음.
- 100%가 없는 까닭 — 효율을 끝까지 올리려면 저온 열원을 절대영도(0K)까지 낮추거나 고온 열원을 무한히 높여야 하나, 둘 다 현실적으로 불가능함.
두 원리를 합치면 하나로 모임 — 카르노 효율이 이론상 최고 효율의 기준. 온도만으로 효율을 구하는 식과 예제는 다음 편에서 다룸.
이 절의 핵심 정리
- 카르노 사이클은 1824년 카르노가 제안한 이론상 최대 효율의 사이클이다.
- 네 과정은 등온 팽창 → 단열 팽창 → 등온 압축 → 단열 압축 순서다.
- 열은 등온 과정에서만 드나들고, 단열 과정은 온도만 옮겨 놓는다.
- T-S 선도에서 카르노 사이클은 직사각형으로 그려진다.
- 같은 두 열원이면 가역 기관의 효율은 작동 유체와 무관하게 모두 같다.
강의 자료2.3.2-2 카르노 사이클 — 네 과정
1 / 12
번호를 누르면 해당 장으로 바로 이동합니다 · 방향키 ← → 로도 넘길 수 있습니다
댓글
댓글 쓰기