열역학에서 사용하는 기본 용어의 정의를 깔끔하게 정리해 봤어요. 언제 봐도 재밌있네요.

도도한 쭌냥이

 

 

안녕하세요. 도도한 쭌냥이입니다. 

오늘은 열역학에 사용하는 용어의 정의에 대해서 정리해 봤습니다. 참고하시 바래요. 

 

1. Heat Q

열역학에서 Q는 열을 나타냅니다. 열은 시스템과 주변 간의 온도 차에 따른 에너지 이동의 형태입니다. 온도 차이에 의해 시스템의 경계를 이동할 수 있습니다. 열역학 방정식에서 Q는 과정 중에 전달된 열의 양을 나타내는 데 사용됩니다. Q의 양이 양수인 경우 시스템으로 열이 전달되는 것을 나타내며 (열 흡수), 음수인 경우 시스템에서 열이 나가는 것을 나타냅니다 (열 방출). 열의 단위는 국제단위계(SI)에서 J(줄)입니다.

 

2. Work

열역학에서 일(Work)은 힘이 물체를 이동시킬 때 발생하는 에너지 전달을 나타냅니다. 수학적으로 일(W)은 힘(F)과 그 힘이 작용하는 거리(d)를 곱하여 계산됩니다. 일은 에너지 이동의 한 형태이며, 열역학 시스템의 맥락에 따라 기계적인 일, 전기적인 일 등 다양한 형태를 취할 수 있습니다.

 

기체나 유체의 경우, 시스템 내에서의 팽창이나 압축을 통해 일이 이루어질 수 있습니다. 일에 대한 부호 규약은 중요한데, 시스템이 주변에게 일을 하는 경우를 양수로 간주하고, 주변이 시스템에게 일을 하는 경우를 음수로 간주합니다. 기계적인 일 외에도 열역학에서는 전기 시스템의 경우 전기적인 일, 회전하는 기계의 경우 축 일 등 다양한 형태의 일이 존재합니다. 전체 일은 열역학적인 과정을 분석하고 이해하는 데 있어 중요한 역할을 합니다. 일의 단위는 국제단위계(SI)에서 J(줄)입니다.

 

3. property

열역학에서 속성(property)은 시스템의 상태를 나타내는 특성입니다. 열역학적 속성은 시스템의 상태와 행동에 관한 정보를 제공하며, 열역학적인 과정을 분석하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 속성은 일반적으로 집합적인 속성과 강도 속성으로 나뉩니다. 

 

강도 속성(Intensive Properties)

물질의 양과 상관 없음: 강도 속성은 시스템 내에 존재하는 물질의 양과 관계없이 항상 동일한 값을 가지는 속성입니다. 온도(T), 압력(P), 밀도(ρ)가 강도 속성의 예시입니다. 이러한 속성은 물질의 양이 얼마나 많던 간에 항상 동일한 값을 갖습니다.

 

집합적인 속성(Extensive Properties)

물질의 양에 종속: 집합적인 속성은 시스템 내에 존재하는 물질의 양에 따라 변하는 속성입니다. 질량(m), 부피(V), 총 에너지(U)가 집합적인 속성의 예시입니다. 이러한 속성은 시스템의 크기나 양에 따라 변합니다.

 

이 분류 외에도 열역학적 속성은 상태 함수와 경로 함수로 나눌 수 있습니다.

 

상태 함수(State Functions)

이러한 속성은 현재 시스템의 상태에만 의존하며 시스템이 해당 상태에 도달하는 방법과는 무관합니다. 온도, 압력, 내부 에너지가 상태 함수의 예시입니다.

 

경로 함수(Path Functions)

이러한 속성은 과정 동안의 경로에 의존합니다. 일(W), 열(Q)은 경로 함수의 예시입니다. 이러한 속성은 특정 상태에 도달하는 과정이나 경로에 따라 다르게 결정됩니다.

 

열역학적 속성을 이해하고 조작하는 것은 물리적인 시스템의 행동을 분석하고 예측하는 데 기본적입니다.

 

4. Enthalphy h

엔탈피(Enthalpy)는 열역학적 속성으로, 내부 에너지( U)와 일(W=압력(P) x 부피(V))을 결합한 것입니다. 주로 일정한 압력에서 시스템의 전체 열 콘텐츠를 나타내는 데 사용됩니다. 시스템의 엔탈피는 다음과 같은 방정식으로 표현됩니다.

 

H=U+PV

 

여기서 H는 엔탈피, U는 내부 에너지, P는 압력, V는 부피입니다.

 

엔탈피는 주로 일정한 압력에서 발생하는 과정을 분석하는 데 사용되며, 이는 많은 실제 응용에서 일어납니다. 과정에 대한 엔탈피의 변화는  ΔH로 나타내며, 이는 일정한 압력에서 시스템에 추가된 열과 동일합니다.

 

ΔH=Q p

 

여기서 Q p는 일정한 압력에서 추가되거나 제거된 열을 나타냅니다.

 

엔탈피는 상태 함수이며, 시스템의 초기 상태와 최종 상태에만 의존하며 취한 경로와 무관합니다. 화학 반응 및 상전이의 연구를 포함한 열역학 및 열전달 분석에서 흔히 사용됩니다. 엔탈피는 국제단위계(SI)에서 에너지 단위인 줄(J)로 측정됩니다.

 

5. process

열역학에서 과정(process)은 열역학 시스템이 한 평형 상태에서 다른 평형 상태로 변하는 모든 변화를 나타냅니다.

 

열역학적 시스템은 기체, 액체, 고체 또는 이들의 조합이 될 수 있으며, 과정은 초기 상태에서 최종 상태로 진화하는 동안 시스템의 온도, 압력, 부피, 내부 에너지 등과 같은 속성의 변화를 기술합니다. 과정은 시스템 변수의 변화에 기반하여 일반적으로 분류됩니다. 일반적인 유형의 열역학적 과정은 다음과 같습니다.

 

등온 과정(Isothermal Process)

과정 동안 온도가 일정 (ΔT=0)

PV=constant

 

단열 과정(Adiabatic Process)

주위와 열 교환이 없음 (Q=0)

열역학 제1법칙( ΔU=Q−W)이 ΔU=−W로 단순화됨

 

등압 과정(Isobaric Process)

과정 동안 압력이 일정 (ΔP=0)

 

등적 과정(Isochoric Process 또는 constant volume)\

과정 동안 부피가 일정 (ΔV=0)

시스템에서 일이나 작업이 수행되지 않음(W=0)

 

순환 과정(Cyclic Process)

시스템이 일련의 변화를 겪고 결국 초기 상태로 돌아감. 내부 에너지의 순변화는 제로 (ΔU net ​ =0)

 

가역 과정(Reversible Process)

어떠한 순간의 변화도 시스템이나 주위에 순 변화를 초래하지 않을 수 있는 과정

이상적인 개념으로 간주됨

 

비가역 과정(Irreversible Process)

시스템이나 주위에 순 변화를 초래하는 과정.

세상의 많은 과정은 비가역적입니다.

 

이러한 과정은 열역학적 시스템의 행동을 이해하고 분석하는 데 필수적입니다. 열역학의 법칙, 특히 에너지 보존의 법칙과 엔트로피 증가의 법칙을 적용하는 것이 포함됩니다. 과정 중에 시스템이 따라가는 경로는 압력-부피(PV) 다이어그램이나 온도-엔트로피(TS) 다이어그램과 같은 열역학적 다이어그램에 나타낼 수 있습니다.

 

6. cycle

열역학에서 사이클은 시스템을 초기 상태로 되돌리는 일련의 열역학적 과정을 나타냅니다. 시스템은 변화의 연속을 겪고, 주기가 끝나면 원래의 상태로 돌아옵니다. 열역학적인 사이클은 열 기관, 냉동기, 에너지 변환을 포함한 여러 장치의 연구와 분석에 기초합니다.

 

다양한 목적을 가진 여러 열역학적인 사이클이 존재하며, 그 중 몇 가지 예시는 다음과 같습니다.

 

카르노 사이클(Carnot Cycle)

두 가지 온도에서 작동하는 가장 효율적인 엔진을 나타내는 이상적인 사이클입니다. 등온 과정 두 개와 단열 과정 두 개로 이루어져 있습니다.

 

랭킨 사이클(Rankine Cycle)

증기 발전소에서 흔히 사용되는 사이클로, 등엔트로피 압축, 상수압열 추가, 등엔트로피 확장, 상수압열 제거로 이루어져 있습니다.

 

오토 사이클(Otto Cycle)

자동차 등의 스파크 점화 내연기관에서 사용되는 이상적인 사이클로, 단열 압축 및 확장과 등적과정이 있습니다.

 

디젤 사이클(Diesel Cycle)

디젤 엔진과 같은 인터널 컴버젼 엔진에서 사용되는 이상적인 사이클로, 단열 압축, 상수압열 추가, 단열 확장, 상수부피열 제거로 이루어져 있습니다.

 

브레이튼 사이클(Brayton Cycle)

가스 터빈 엔진에서 흔히 사용되는 사이클로, 등엔트로피 압축, 상수압열 추가, 등엔트로피 확장, 상수압열 제거로 이루어져 있습니다.

 

냉동 사이클(Refrigeration Cycle)

냉장고 및 에어컨과 같은 장치에서 사용되는 사이클로, 냉매의 압축, 응축, 확장, 증발이 포함됩니다.

 

이러한 사이클과 그들의 열역학적 원리를 이해하는 것은 다양한 에너지 변환 시스템의 설계, 분석 및 최적화에 중요합니다. 사이클의 연구는 엔진, 냉동 시스템 및 에너지 변환에 관련된 여러 장치의 효율성과 성능에 대한 통찰력을 제공합니다.

 

7. pure substance

열역학에서 순수 물질(pure substance)은 화학적 조성이 일정하고 질량 전체에서 물리적 특성이 균일한 물질을 나타냅니다. 이것은 고체, 액체, 기체와 같은 여러 상태에서 존재할 수 있지만 각 상태에서의 화학적 구성은 일정합니다. 순수 물질은 혼합물의 복잡성을 고려하지 않고 기본 원리에 중점을 둔 열역학의 연구에서 간소화된 개념으로 사용됩니다.

 

주로 두 가지 유형의 순수 물질이 있습니다.

 

원소(Elements)

원소는 동일한 원자 번호를 가진 원자들로 이루어져 있습니다. 각 원소는 화학적 수단으로 더 단순한 물질로 분해될 수 없으며 산소(O₂), 수소(H₂), 탄소(C) 등이 예시입니다.

 

화합물(Compounds)

화합물은 일정한 질량 비율로 두 개 이상의 원소로 이루어진 물질입니다. 화합물의 원소들은 화학적으로 결합되어 있으며 물질은 각 원소의 특성과는 다른 고유한 특성을 가지게 됩니다. 물(H₂O), 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄) 등이 예시입니다.

 

순수 물질은 특정한 열역학적 성질을 가지며, 이는 특정한 열용량, 엔탈피, 엔트로피 등을 포함합니다. 이러한 순수 물질의 행동은 상변화, 열전달, 작업 상호작용과 같은 다양한 프로세스의 분석에 기본적으로 사용됩니다. 이러한 물질의 열역학적 특성을 이해하는 것은 발전소, 냉동, 화학 공학 등 다양한 분야에서의 프로세스 분석에 기본이 됩니다.

 

8. saturated liquid

포화 액체(saturated liquid)는 물질이 특정 온도와 압력 조건에서 액체 상태에 있으며 해당 상태에서는 증기 상태와 열적 평형에 있는 상태를 나타냅니다. 다시 말해, 포화 액체는 주어진 압력 하에서 물질이 끓는점 또는 응축점에 있는 상태입니다.

 

포화 온도에서는 포화된 액체에 더 많은 열을 추가하면 증기로 변화하게 되고, 열을 제거하면 응축이 일어나 액체와 증기의 혼합물로 변합니다.  "포화"라는 용어는 해당 온도와 압력에서 해당 물질이 최대량의 증기를 포함하는 상태임을 나타냅니다.

 

예를 들어, 특정 압력에서 물의 끓는 점에서는 물은 포화된 액체 상태에 있으며, 추가적인 열량을 입력하면 증기로 변하게 됩니다. 반대로, 이 증기가 응축점에서는 포화된 증기 상태에 있으며, 열을 제거하면 액체로 응축될 것입니다.

 

포화된 액체의 이해는 열역학, 상태도, 수증기화 및 응축과 같은 다양한 프로세스의 연구에서 중요합니다. 포화된 액체 상태는 종종 상태도 다이어그램에 표시되어 해당 물질이 포화된 액체, 포화된 증기 또는 이 둘의 혼합물로 존재하는 영역을 보여줍니다.

 

9. subcooled liquid

과냉액(subcooled liquid)은 특정 압력에서 해당하는 포화 온도보다 낮은 온도에서 존재하는 액체를 나타냅니다.

 

10. saturated vapor

포화증기(saturated vapor)는 물질의 기체 상태를 나타내며 해당 기체가 포화 조건에서 존재할 때의 상태를 의미합니다. 포화 조건은 해당 기체가 특정한 온도와 압력에서 액체 상태와 열적 평형에 있는 상태입니다.

 

11. superheatd vapor

과열증기(superheated vapor)는 주어진 압력에서의 포화 온도보다 높은 온도에서 존재하는 증기를 나타냅니다. 열적으로 균형에 있는 포화증기와는 달리 과열증기는 액체와 열적으로 균형을 이루지 않은 상태로, 포화점을 초과하는 온도에서 열에너지를 추가로 흡수한 상태입니다. 대부분 기체로 이루어져 있습니다. 

 

이상으로 열역학에서 사용하는 용어를 정리해 보았습니다. 공부하면서 계속해서 업데이트할 예정입니다. 참고하시기 바랍니다. ^^ 오늘도 열공!!

 

도도한 쭌냥이