냉동기와 열펌프 — 유효한 효과·에너지 수지·성능계수 COPᵣ·COPₕ | 기초 열역학 3.3.1
기초 열역학Chapter 03 열역학 사이클 › Section 03 냉동 사이클
3.3.1 냉동기와 열펌프·성능계수
얼개는 하나, 목적이 이름을 가르는 두 장치. 저온부의 열을 고온부로 옮기는 에너지 수지와 성능계수의 두 꼴.
영상 목차 · 원하는 부분부터 보기
01열을 거꾸로 밀어 올림 — 일이 있어야 함교재 191p
- 앞 편과의 이음 — 3.2.4 원자력 발전까지는 열로 일을 얻는 열기관. 이 편부터는 일을 넣어 열을 거꾸로 옮기는 장치.
- 스스로 일어나는 쪽 — 고온 → 저온. 어떠한 장치 없이도 열이 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동함.
- 일이 있어야 하는 쪽 — 저온 → 고온. 냉동기나 열펌프 같은 장치가 외부로부터 일 Wᵢₙ 을 공급받아야만 가능함.
- 이미 세운 척도 — 냉동기·열펌프·성능계수는 2.3.1 ① 에서 세운 것. 이 절은 그 척도를 실제 냉동 장치로 이어 가는 자리.
02같은 장치, 다른 목적 — 냉동기와 열펌프교재 191p~192p
- 같은 얼개 — 저온의 열원 Tₗ 에서 열 Qₗ 을 흡수하여 고온의 열원 Tₕ 로 열 Qₕ 를 방출함.
- 다른 목적 — 무엇을 유효한 효과로 보는가가 이름을 가름.
1냉동기 — 유효한 효과 Qₗ
- 저온의 공간을 차갑게 유지하는 것이 주된 목적.
- 가정용 냉장고가 내부 공간의 열을 지속적으로 빼냄.
2열펌프 — 유효한 효과 Qₕ
- 고온의 공간을 따뜻하게 유지하는 것이 주된 목적.
- 난방용 에어컨(히트 펌프)이 찬 바깥 공기의 열을 실내로 공급함.
- 냉매 — 냉동 사이클에서 열을 운반하는 작동 유체.
주위가 맡는 자리가 뒤바뀜
냉동기에서는 주위가 고온 열원, 열펌프에서는 주위가 저온 열원. 같은 주위가 한쪽에서는 열을 버리는 곳, 다른 쪽에서는 열을 길어 오는 곳.
03들어온 만큼 나감 — Qₕ = Qₗ + Wᵢₙ교재 192p~193p
- 제1법칙 그대로 — 저온부에서 흡수한 열량과 외부에서 투입한 일이 모두 고온부로 나감.
- 합하는 꼴 — Qₕ = Qₗ + Wᵢₙ. 빼는 꼴 — Qₗ = Qₕ − Wᵢₙ.
- 이름과 무관 — 얼개가 하나이므로 냉동기와 열펌프가 같은 식을 씀.
- 냉장고 뒤쪽이 따뜻한 까닭 — 냉동실에서 빼낸 열에 넣은 일까지 얹혀 고온부로 나가기 때문.
04성능계수 — 열효율 대신 쓰는 척도교재 193p~194p
- 성능계수(Coefficient of Performance, COP) — 얻고자 하는 유용한 효과 ÷ 투입한 에너지, 식 (3.37). 분자가 목적에 따라 갈림.
| 구분 | 분자(유효한 효과) | 성능계수 |
|---|---|---|
| 냉동기 | 냉각 효과 Qₗ | COPᵣ = Qₗ / Wᵢₙ · 식 (3.38) |
| 열펌프 | 가열 효과 Qₕ | COPₕ = Qₕ / Wᵢₙ · 식 (3.39) |
05두 성능계수의 관계 — 언제나 1 차이교재 194p
- COPₕ = COPᵣ + 1 — 식 (3.40). 에너지 수지 Qₕ = Qₗ + Wᵢₙ 에서 곧바로 따라 나옴.
- 뜻 — 같은 조건의 한 장치를 냉동기로 쓸 때보다 열펌프로 쓸 때의 성능계수가 항상 1 만큼 큼.
정의식 하나로 세 값이 모두 나옴
성능계수·열량·일 가운데 둘을 알면 나머지 하나는 정의식을 곱셈이나 나눗셈으로 옮기면 그만. 냉동기의 값이 주어진 채 열펌프를 물으면 성능계수부터 열펌프 것으로 바꾼 뒤 정의식을 씀.
06예제의 갈래 — 수지식과 정의식교재 192p~197p
| 갈래 | 예제 | 답 |
|---|---|---|
| 에너지 수지 · 합하는 꼴 | 3.73 냉동기가 고온부로 방출한 열량 | 400 kJ |
| 에너지 수지 · 빼는 꼴 | 3.74 냉동기가 저온부에서 흡수한 열량 | 450 kJ |
| 정의식 옮기기 | 3.79 냉동기가 공급받은 일 | 200 kJ |
| 두 식 잇기 | 3.84 냉동기의 COPᵣ 에서 열펌프의 공급 열량 | 400 kJ |
같은 얼개를 무엇에 쓰는가로 이름과 성능계수가 갈림. 다음은 이 냉동 장치를 카르노 사이클로 돌린 3.3.2 역카르노 사이클.
이 절의 핵심 정리
- 냉동기와 열펌프는 외부의 일을 받아 저온부의 열을 고온부로 옮기는 같은 얼개의 장치다.
- 냉동기는 흡수한 열량 Qₗ 을, 열펌프는 방출한 열량 Qₕ 를 유효한 효과로 본다.
- 에너지 수지는 두 장치 모두 Qₕ = Qₗ + Wᵢₙ 이다.
- 성능계수는 냉동기가 COPᵣ = Qₗ / Wᵢₙ, 열펌프가 COPₕ = Qₕ / Wᵢₙ 이다.
- 같은 조건에서 열펌프의 성능계수는 냉동기보다 언제나 1 만큼 커서 COPₕ = COPᵣ + 1 이다.
강의 자료3.3.1 냉동기와 열펌프·성능계수
1 / 13
번호를 누르면 해당 장으로 바로 이동합니다 · 방향키 ← → 로도 넘길 수 있습니다
댓글
댓글 쓰기