증기 동력 기관과 작동 유체로서의 물 | 기초 열역학 3.2.1
기초 열역학Chapter 03 열역학 사이클 › Section 02 증기 동력 기관과 사이클
3.2.1 증기 동력 기관과 작동 유체로서의 물
기관 밖에서 열을 대는 외연기관으로 넘어가는 자리. 작동 유체로 물을 쓰는 까닭과, 물이 상을 바꾸며 거치는 상태들.
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01연료를 어디에서 태우는가 — 내연과 외연이 갈리는 첫 자리교재 166p
- 3.1 의 가솔린 · 디젤 · 사바테는 모두 내연기관 — 3.2 부터는 외연기관. 태우는 자리가 밖으로 나가면서 열을 받는 물질도 달라짐.
- 내연기관 — 기관 내부에서 연소. 실린더 안에서 연료를 직접 폭발시켜 피스톤을 움직이는 「직접적인」 방식.
- 외연기관 · 증기 동력 기관(Steam Power Plant) — 기관 외부에서 연소. 외부에서 열을 가해 작동 유체를 데우고 그 힘으로 기관을 돌리는 「간접적인」 방식.
02두 기관을 세 잣대로 — 표 3.1교재 166p
| 구분 | 내연 기관 | 외연 기관 |
|---|---|---|
| 열원 위치 | 기관 내부 (실린더) | 기관 외부 (보일러 · 원자로) |
| 작동 유체 | 연소 가스 자체 | 물(증기) 등 별도의 유체 |
| 대표 예시 | 가솔린 · 디젤 엔진 | 증기기관 · 증기 터빈 · 스털링 엔진 |
작동 유체 한 줄이 이 편의 나머지를 끌고 감.
03모닥불과 주전자와 바람개비 — 열원과 기관이 따로 떨어져 있음교재 166p
- 모닥불 = 외부 열원 — 기관 바깥에서 열을 냄.
- 주전자 = 보일러 — 받은 열로 물을 끓여 증기를 만듦.
- 바람개비 = 터빈 — 증기의 힘이 날개를 돌리고 그 회전이 동력이 됨.
- 증기 터빈은 스스로 열을 내지 못함. 열을 공급할 별도의 에너지 변환 장치가 따라붙음.
04열원의 종류를 가리지 않음 — 물을 끓이는 자리부터 같은 길교재 166p
1화력 발전
- 석탄 · 석유 · 가스를 보일러에서 연소시킴.
- 그 열로 물을 끓여 증기를 만듦.
2원자력 발전
- 원자로 안의 핵분열 반응열을 이용함.
- 그 반응열로 물을 끓여 증기를 얻음.
연소와 핵분열은 열을 내는 방식이 아주 다르나, 물을 끓여 증기를 만드는 자리부터는 같은 길.
05작동 유체로서의 물 — 상변화로 열을 기계적 일로 바꿈교재 167p
- 상변화(phase change) — 물질이 온도나 압력의 변화에 따라 한 상태에서 다른 상태로 바뀌는 현상.
- 기화 잠열 — 끓는 동안 받은 열이 상변화에 쓰임. 1.4.2 에서 세운 결론 식 Q = mL 을 그대로 받음.
- 증기가 동력을 냄 — 외부의 열로 에너지가 높은 증기를 만들고 그 힘으로 동력을 얻음.
증기를 이용한 외연 기관의 원리를 알려면, 물이 열을 받을 때 상태가 어떻게 변하는지부터 보아야 함.
06물의 다섯 상태 — 압축액에서 과열 증기까지교재 167p~168p
| 상태 | 이름 | 1기압 기준 |
|---|---|---|
| 1 | 압축액 · 과냉각액 | 20°C 물 — 아직 끓는점에 이르지 못한 순수한 액체 |
| 2 | 포화액 | 100°C 물 — 작은 열만 더 받아도 증발을 시작하려는 액체 |
| 3 | 습증기 | 100°C — 액체와 증기가 섞임. 온도는 일정, 부피는 급증 |
| 4 | 건포화증기 · 포화 증기 | 100°C 증기 — 마지막 한 방울까지 증발해 완전히 기체 |
| 5 | 과열 증기 | 300°C 증기 — 끓는점 이상. 터빈을 돌리는 것이 이것 |
자주 어긋나는 자리
- 압축액과 과냉각액은 한 상태의 두 이름 — 끓는점보다 차갑다고 보면 과냉각액, 끓지 않도록 눌려 있다고 보면 압축액.
- 포화액은 아직 액체 — 「포화」가 붙어도 증기가 아님. 포화 — 주어진 압력에서 증발이 시작되거나 액체와 증기가 함께 있을 수 있는 상태.
- 습증기 구간의 열 — 온도를 올리는 데 쓰이지 않고 상변화에 모두 쓰임. 온도계만 보아서는 열이 들어가는지 알기 어려운 구간.
- 건포화증기와 과열 증기 — 둘 다 기체이나, 건포화증기는 열을 조금만 빼앗겨도 바로 응축됨.
증기 동력 사이클의 핵심은 물을 과열 증기로 만들어 동력을 생산하는 것임.
이 절의 핵심 정리
- 내연기관은 기관 내부, 외연기관은 기관 외부에서 연소한다.
- 외연기관의 작동 유체는 연소 가스가 아니라 물과 그 증기다.
- 증기 동력 기관은 열원이 연소든 핵분열이든 가리지 않는다.
- 습증기 구간은 온도가 일정하고 부피만 급격하게 증가한다.
- 터빈을 돌리는 것은 에너지가 매우 높은 과열 증기다.
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