공조냉동기계기술사 131회, 문제 풀이, 다음 기초관계식에 대해 설명하시오.

 

도도한 쭌냥이

 

 

1. 글을 시작하며

안녕하세요. 글 쓰는 아빠 도도한 쭌냥이입니다. 

오늘은 기술사 문제 중 상태방정식의 유도, 베르누이 정리, 열관류율, 열저항에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 

저도 공부 중이 열심히 하도록 하겠습니다. 

 

2. 열역학관계식(상태방정식의 유도)

물리학에서 상태방정식은 시스템의 상태를 나타내는 방정식입니다. 여러 가지 상태 방정식이 있지만, 가장 널리 알려진 것 중 하나는 이상 기체의 상태를 나타내는 이상기체 상태방정식입니다. 이 방정식은 PV = nRT로 표현되며, 여기서  P는 압력, V는 부피, n은 몰 수, R은 기체 상수, T는 온도를 나타냅니다. 

 

이상 기체 상태방정식을 유도하는 과정은 이상 기체의 특성과 기체 분자 간 상호작용을 고려한 결과입니다. 여기서는 기본적인 유도 과정을 살펴보겠습니다. 

 

• 보일의 법치(Boyle's Law)

보일의 상태방정식은 온도가 일정할 때 기체의 압력과 부피는 역의 관계에 있다는 것을 나타냅니다. 

 

 

P : 압력

V : 부피

C : 상수

 

• 샤를의 법치(Charles's Law)

샤를의 상태방정식은 압력이 일정할 때 기체의 부피와 온도는 정비례한다는 것을 나타냅니다. 

 

 

V : 부피

T : 온도

C : 상수

 

• 아보가드로의 법칙(Avogadro's law)

같은 조건에서 같은 부피의 기체는 동일한 수의 분자를 포함한다는 것을 제시합니다. 

 

 

V : 부피

C : 상수

n : 몰수

 

• 이상기체 상태방정식 유도

부피는 온도, 압력, 몰수에 의존함에 따라 보일의 법칙, 샤를의 법치, 아보가드로의 법칙을 결합하면 이상기체 상태방정식을 얻을 수 있습니다. 

 

 

P : 압력(N/㎡)

V : 부피(㎥)

n : 몰수(입자수, 6.02 ×10²³)

R : 기체상수(8.31J/mol·K)

T : 절대온도(K) 

 

3. 유체역학관계식(베르누이 정리)

베르누이 정리(Bernoulli's theorem)는 유체 역학에서 유체의 흐름과 관련된 중요한 정리 중 하나입니다. 이 정리는 정상 상태의 이상적인 압축성이 없는 유체의 흐름에 대한 것으로, 특히 정상 상태에서의 정상 유체 흐름에 적용됩니다. 

 

표현은 다음과 같습니다. 

 

 

여기서,

P : 유체의 압력

ρ : 유체의 밀도

v : 유체의 속도

g : 중력 가속도

h : 유체의 높이

 

베르누이 정리는 유체 입자의 에너지 보존 원리를 나타내며, 각 항은 유체 입자의 특정 에너지 형태를 나타냅니다. 이 정리는 비압축성 유체에 한정되며, 정상 상태의 유체 흐름에서만 적용 가능합니다. 베르누이 정리는 다양한 상황에서 적용되며, 특히 파이프 흐름, 비행기의 날개 부분 등 다양한 곳에서 활용됩니다. 

 

4. 열전달관계식(열관류율, 열저항)

열관류율 K는 열통과율 또는 전열계수라고 하며, 고체와 유체 사이에서 전체적인 열의 이동속도를 나타냅니다. 단위는 W/㎡·K(켈빈)입니다. 대류와 전도의 열전달률을 종합하여 하나의 값으로 표현됩니다. 

 

열관류율 K를 표현하면 다음과 같습니다. 

 

 

여기서,

R : 열저항(㎡·h·℃/kcal)

α : 열전달률(kcal/㎡·h·℃)

λ : 열전도율(kcal/m·h·℃

l : 고체의 두께(m)

 

열저항 R은 열전달을 어렵게 하는 물체의 물리적 특성을 나타냅니다. 열저항이 작을수록 열관류율 K는 높아집니다. 구조물의 에너지 효율성을 평가하거나 디자인을 개선하기 위해서는 재료의 열전도도와 두께, 공기 간극, 벽의 재질 등의 특성을 고려하여 열관류율을 측정하고 계산하는 것이 중요합니다. 

 

열관류율(K)을 줄이는 방법은 다음과 같습니다. 

 

• 고체 표면의 열전달률 α를 작게 한다.
• 고체의 두께 l을 두껍게 한다. 
• 열전도율을 적게 한다. 

 

4. 글을 마치며

오늘은 기술사 문제 중 현업에서 자주 사용되는 수식들을 알아보았습니다. 이런 수식들이 실제 기술사 문제로 출제되고 있는 것을 보니 기술사 자격증을 취득하면 관련 업종에서 상당한 신뢰를 얻을 수 있을 것이라고 생각됩니다. 여러분들도 열심히 공부하시고 저도 열심히 공부해서 꼭 합격할 수 있었으면 좋겠습니다. 

 

도도한 쭌냥이