열역학 제2법칙에 관한 기사
자연적으로 발생하는 모든 과정은 한 방향으로만 진행되며 반대 방향으로는 진행될 수 없습니다. 이를 일반적으로 비가역적 과정이라고 합니다. 줄기에서 분리된 후 자유낙하 망고가 땅에 떨어지면 다시 올라가지 않습니다. 우리가 밀었다가 멈춘 책은 다시 우리 쪽으로 돌아오지 않습니다. 온도가 높은 물체(뜨거운 물체)와 온도가 낮은 물체(차가운 물체)를 접촉시키면 열은 자연스럽게 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐릅니다. 반대로 열이 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 이동하는 과정은 일어나지 않습니다. 만약 그런 일이 일어난다면 차가운 물체는 더 차가워지고 뜨거운 물체는 더 뜨거워질 것입니다. 하지만 실제로는 그렇지 않습니다. 이처럼 서로 다른 것처럼 보이는 많은 비가역적 과정들이 있지만, 모두 에너지 형태의 변화와 한 물체에서 다른 물체로 에너지가 이동하는 과정을 포함합니다.
예를 들어, 강력한 지진으로 건물이 무너진다고 가정해 봅시다 (건물은 지진파의 에너지 때문에 무너집니다). 무너진 건물의 각 부분이 다시 합쳐져 이전처럼 똑바로 서 있는 것을 본 적이 있습니까? 또는, 유리잔이 바닥에 떨어져 깨졌다고 가정해 봅시다. 바닥에 흩어진 유리 조각들이 다시 모여 원래의 온전한 유리잔이 되는 것을 본 적이 있습니까? 그런 일은 결코 일어나지 않습니다. 이 외에도 많은 예가 있습니다.
한 방향으로만 진행되는 열역학적 과정(비가역 과정)을 설명하기 위해 과학자들은 열역학 제2법칙을 정립했습니다. 열역학 제2법칙은 우주에서 어떤 과정이 일어날 수 있고 어떤 과정은 일어날 수 없는지를 설명합니다. RJE라는 과학자가 이 법칙을 정립했습니다. 클라우시우스 (1822-1888)은 다음과 같이 말했습니다.
열은 고온의 물체에서 저온의 물체로 스스로 이동하며, 저온의 물체에서 고온의 물체로 스스로 이동하지 않습니다 (열역학 제2법칙 - 클라우시우스의 명제).
클라우시우스 정리는 열역학 제2법칙의 특수한 형태입니다. 특수한 형태라고 불리는 이유는 열 전달이라는 단 하나의 과정에만 적용되기 때문입니다. 이 정리는 다른 과정과는 관련이 없으므로, 보다 일반적인 형태가 필요합니다. 열역학 제2법칙의 일반화된 형태는 부분적으로 열기관 연구를 바탕으로 도출되었습니다. 따라서 먼저 열기관에 대해 살펴보겠습니다.
열 엔진
우리가 사용하는 에너지의 대부분은 석유, 가스, 석탄에 저장된 화학적 위치 에너지에서 비롯됩니다. 석유, 가스, 석탄에 저장된 화학적 위치 에너지는 직접 사용할 수 없습니다. 석유, 가스, 석탄을 먼저 태워야 합니다. 일반적으로 화석 연료(석유, 가스, 석탄)를 태우면 열이 발생합니다. 이 열은 음식을 조리하거나 방을 데우는 데 직접 사용할 수 있습니다. 무언가를 움직이려면(예를 들어, 차량을 움직이려면) 열을 운동 에너지 또는 기계 에너지로 변환해야 합니다(기계 에너지 = 위치 에너지 + 운동 에너지). 기계 에너지를 열로 변환하는 것은 매우 쉽지만, 열을 기계 에너지로 변환하는 것은 어렵습니다. 손바닥을 비벼 보세요. 손바닥이 뜨겁죠? 손바닥을 비비는 행위(일을 하는 것)를 통해 기계 에너지가 열로 변환됩니다. 이 과정은 매우 간단합니다. 일을 함으로써 무한한 양의 열도 생성할 수 있습니다. 하지만 그 반대 과정, 즉 열을 이용하여 일을 하는 것은 어렵습니다.
열을 이용하여 일을 하는 장치는 1700년에야 발명되었습니다. 바로 증기기관입니다. 증기기관은 처음에는 탄광에서 물을 퍼내는 데 사용되었습니다. 중요한 점은 증기기관이 처음 사용되었을 당시 과학자들은 열이 온도 차이에 의해 전달되는 에너지라는 사실을 알지 못했다는 것입니다(열역학 제1법칙이 아직 정립되지 않았습니다).
당시 증기기관의 사용은 증기가 물체를 움직일 수 있다는 일상적인 경험에 기반했을 가능성이 높습니다. 증기기관은 열기관(열을 기계 에너지로 변환하는 장치)의 일종입니다. 오늘날 증기기관은 전기 에너지를 생산하는 데 사용됩니다. 현대의 열기관은 내연기관(자동차 엔진, 오토바이 엔진 등)입니다.
열기관을 사용하는 기본 원리는 열이 고온 영역에서 저온 영역으로 흐를 때만 기계 에너지로 변환될 수 있다는 것입니다. 이 과정에서 열의 일부는 기계 에너지로 변환되고(일을 하는 데 사용됨), 나머지 일부는 저온 영역으로 방출됩니다. 열기관에서의 에너지 변환 및 에너지 전달 과정은 그림에 나타나 있습니다.
고온(T)H) 및 저온(T)L)는 엔진 작동 온도라고도 합니다. 고온 지점에서 흐르는 열은 기호 Q로 표시됩니다.H한편, 저온 지점으로 방출되는 열은 기호 Q로 표시됩니다.L. 고온에서 저온으로 흐를 때, 일부 QH 기계적 에너지(일을 하는 데 사용됨)로 변환되고, 그중 일부는 Q로 방출됩니다.L사실 저희는 모든 Q가 잘 되기를 진심으로 바랍니다.H Q는 W로 변환될 수 있지만, 일상적인 경험상 이는 불가능합니다. 항상 일정량의 열 손실이 발생하기 때문입니다. 따라서 에너지 보존 법칙에 따라 Q는 W로 변환될 수 없다는 결론을 내릴 수 있습니다.H = W + QL.
이제 열을 기계 에너지로 변환하는 데 흔히 사용되는 열기관을 살펴보겠습니다. 여기서 중요한 점은 우리가 고려하는 열기관은 연속적으로 일을 수행하는 열기관이라는 것입니다. 일이 연속적으로 수행되려면 열이 고온 영역에서 저온 영역으로 지속적으로 흘러야 합니다. 열이 한 번만 흐르면 열기관이 수행하는 일도 한 번만 이루어지게 됩니다(생성되는 기계 에너지가 매우 작아집니다). 따라서 열기관을 최적으로 활용할 수 없습니다. 열기관은 연속적으로 일을 수행할 때 최적으로 활용될 수 있습니다. 즉, 열기관이 생성하는 기계 에너지가 물체를 움직이는 데 충분할 때 비로소 효율적으로 활용될 수 있습니다.
증기 엔진
증기기관은 수증기를 열 전달 매체로 사용합니다. 증기는 증기기관의 작동 물질이라고 합니다. 증기기관에는 왕복식 증기기관과 터빈식 증기기관(증기 터빈)의 두 가지 유형이 있습니다. 설계 방식은 약간씩 다르지만, 두 유형 모두 석유, 가스, 석탄 또는 핵에너지를 연소시켜 가열한 증기를 사용한다는 공통점이 있습니다.
왕복식 증기 엔진
용기 안의 물은 보통 고압에서 가열됩니다. 고압에서 가열되기 때문에 끓는 과정은 고온에서 일어납니다. 온도는 압력에 정비례합니다. 증기의 온도가 높을수록 증기압도 커집니다. 이 고온 고압의 증기는 흡입 밸브를 통해 이동하여 피스톤을 밀어내면서 팽창합니다. 증기가 팽창하면서 피스톤을 밀어 오른쪽으로 이동시킵니다.
증기의 열 중 일부가 운동 에너지로 변환됩니다. 피스톤이 오른쪽으로 움직이면 피스톤에 연결된 바퀴가 회전합니다(1). 바퀴가 반 바퀴 회전하면 피스톤을 원래 위치로 밀어냅니다(2). 피스톤이 왼쪽으로 움직이면 흡입 밸브가 자동으로 닫히고 배출 밸브가 자동으로 열립니다. 증기는 응축기에서 응축되어 이슬이 됩니다. 그런 다음 응축기의 물이 다시 용기로 펌핑되어 다시 끓입니다. 이런 식으로 과정이 반복됩니다. 피스톤은 계속해서 오른쪽과 왼쪽으로 움직입니다. 피스톤이 계속해서 오른쪽과 왼쪽으로 움직이기 때문에 바퀴도 계속해서 회전합니다. 바퀴의 회전은 일반적으로 무언가를 움직이는 데 사용됩니다.
증기 터빈
증기 터빈의 작동 원리는 기본적으로 왕복 증기 기관과 동일합니다. 차이점은 왕복 증기 기관은 피스톤을 사용하는 반면, 증기 터빈은 터빈을 사용한다는 것입니다. 왕복 증기 기관에서는 열이 먼저 피스톤의 병진 운동 에너지로 변환된 후, 이 피스톤의 병진 운동 에너지가 회전하는 휠의 회전 운동 에너지로 변환됩니다. 반면, 증기 터빈에서는 열이 터빈의 회전 운동 에너지로 직접 변환됩니다. 터빈은 압력 차이에 의해 회전할 수 있습니다. 블레이드 위쪽의 증기 온도는 블레이드 아래쪽의 증기 온도보다 훨씬 높습니다. 블레이드는 터빈 중앙에 위치한 얇은 판입니다. 온도는 압력에 비례합니다. 블레이드 위쪽의 증기 온도가 블레이드 아래쪽의 증기 온도보다 높기 때문에 블레이드 위쪽의 증기 압력이 블레이드 아래쪽의 압력보다 큽니다. 이러한 압력 차이로 인해 증기가 블레이드를 아래쪽으로 밀어 터빈이 회전하게 됩니다. 터빈의 회전 방향은 그림에 나타나 있습니다.
증기기관의 작동 원리는 위에서 설명한 에너지 전달 도표에 기반한다는 점을 유념해야 합니다. 이 경우, 고온의 물체 또는 위치에서 저온의 물체 또는 위치로 열이 흐르도록 함으로써 기계 에너지를 생성할 수 있습니다. 따라서 증기기관에서는 온도 차이가 필수적입니다.
왕복 증기 기관의 작동 원리를 자세히 살펴보면, 온도 차이가 없더라도(응축기나 펌프가 없더라도) 피스톤이 좌우로 움직일 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 피스톤이 오른쪽으로 움직일 수 있는 이유는 고온 고압의 증기가 팽창하기 때문입니다. 이때 증기의 열 일부가 피스톤의 병진 운동 에너지로 변환됩니다. 이 피스톤의 병진 운동 에너지는 다시 회전하는 바퀴의 회전 운동 에너지로 변환됩니다. 바퀴가 반 바퀴 회전하면 피스톤을 왼쪽으로 밀어냅니다. 이때 바퀴의 회전 운동 에너지가 다시 피스톤의 병진 운동 에너지로 변환됩니다. 피스톤이 왼쪽으로 움직이면서 실린더 안의 증기를 밀어내고, 동시에 배기 밸브가 열립니다.
따라서 피스톤에 의해 밀려나는 증기는 배기 밸브 아래에 있는 증기를 밀어냅니다. 이때 배기 밸브 아래에 있는 증기의 온도가 피스톤에 의해 밀려나는 증기의 온도와 같으면, 피스톤의 모든 병진 운동 에너지는 증기의 내부 에너지로 다시 전환됩니다. 내부 에너지는 온도에 비례합니다. 증기의 내부 에너지가 증가하면 증기의 온도도 증가합니다. 온도는 압력에 비례합니다. 증기의 온도가 증가하면 증기의 압력도 증가합니다. 따라서 배기 밸브를 통해 배출되는 증기의 압력은 흡입 밸브를 통해 유입되는 증기의 압력과 같아집니다. 피스톤은 계속해서 좌우로 움직이지만, 이용 가능한 총 운동 에너지(생산된 총 일)는 없습니다. 따라서 팽창 과정(피스톤이 오른쪽으로 움직임) 동안 피스톤이 받은 운동 에너지는 압축 과정(피스톤이 왼쪽으로 움직임) 동안 증기로 되돌아갑니다.
결론적으로 증기기관에서는 온도차가 여전히 필수적입니다. 증기기관에서 이러한 온도차는 응축기를 사용하여 얻을 수 있습니다. 배기 밸브 아래쪽 증기의 온도와 압력이 실린더 내부 증기의 온도와 압력보다 훨씬 낮으면, 피스톤이 왼쪽으로 움직일 때 피스톤이 증기에 가하는 압력은 피스톤이 오른쪽으로 움직일 때 증기가 피스톤에 가하는 압력보다 훨씬 작아집니다. 즉, 피스톤이 증기에 하는 일은 증기가 피스톤에 하는 일보다 훨씬 작습니다. 따라서 피스톤의 운동 에너지 중 극히 일부만 증기로 전달됩니다. 결과적으로 총 운동 에너지 또는 총 일이 발생하게 됩니다. 이 총 운동 에너지는 어떤 물체를 움직이는 데 사용됩니다.
내연기관
오토바이 엔진과 자동차 엔진은 내연기관의 예입니다. 연소 과정이 밀폐된 실린더 내부에서 일어나기 때문에 내연기관이라고 불립니다. 내연기관은 이전 주제에서 설명했듯이 단열 압축과 팽창 개념을 활용한 공학 기술의 산물입니다. 열역학 제1법칙.
우리는 연료로 가솔린과 디젤을 사용하는 내연기관만 고려할 것입니다. 가솔린과 디젤은 석유 제품이므로 화학적 위치 에너지를 가지고 있습니다. 가솔린과 디젤에 있는 화학적 위치 에너지는 연소 과정을 통해 먼저 열로 변환됩니다. 연소로 발생한 열은 다시 기계 에너지로 변환됩니다. 이 기계 에너지가 오토바이나 자동차를 움직이게 하는 원동력입니다. 가솔린 엔진의 사이클은 오토 사이클이라고 하고, 디젤 엔진의 사이클은 디젤 사이클이라고 합니다. 사이클은 가역적인 열역학적 과정입니다. 먼저 오토 사이클에 대해 알아보겠습니다.
오토 사이클
이 그림은 4행정 내연기관의 구조도입니다. 피스톤이 아래로 움직이면서(흡입 행정) 기화기에서 공기와 가솔린 증기 혼합물이 실린더로 들어갑니다. 피스톤이 위로 움직이면서(압축 행정) 실린더 안의 공기와 가솔린 증기 혼합물은 단열 압축됩니다. 단열 압축으로 인해 혼합물의 온도와 압력이 상승합니다. 동시에 점화 플러그가 혼합물에 불을 붙여 연소시킵니다. 연소가 진행됨에 따라 가스의 온도와 압력이 더욱 상승합니다. 고온 고압의 가스는 팽창하면서 피스톤을 아래로 밀어냅니다(팽창 행정). 연소된 가스는 배기 밸브를 통해 배기 파이프로 배출됩니다(배기 행정). 흡기 밸브가 다시 열리고 4행정 과정이 반복됩니다.
단열 압축 행정의 목적은 공기-가솔린 증기 혼합물의 온도와 압력을 높이는 것임을 알아두는 것이 중요합니다. 고압에서의 연소는 매우 높은 온도와 압력을 발생시킵니다. 결과적으로 팽창 과정에서 발생하는 추력(F = PA)이 매우 커집니다. 이는 오토바이 또는 자동차 엔진의 출력을 향상시키는 요인이 됩니다. 압축이 없더라도 점화 플러그에서 스파크가 발생하면 공기-가솔린 증기 혼합물은 점화될 수 있습니다. 그러나 연소된 가스의 온도와 압력이 높지 않기 때문에 발생하는 추력 또한 작습니다. 결과적으로 엔진 출력이 감소합니다.
4행정 내연기관에서 에너지 변환 및 에너지 전달 과정은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 연소 과정에서 휘발유의 화학적 위치 에너지와 공기의 에너지가 열로 변환됩니다. 이 열의 일부는 피스톤 로드와 크랭크축에서 기계 에너지로 변환되고, 일부는 배기구를 통해 방출됩니다. 피스톤 로드와 크랭크축에 저장된 기계 에너지의 대부분은 차량을 구동하는 기계 에너지로 변환되고, 소량은 열로 변환됩니다. 열은 마찰에 의해 발생합니다.
아래 그림은 오토 사이클의 단열 팽창 및 압축 과정을 보여줍니다. 이 그림은 가솔린 엔진에서 발생하는 열역학적 과정을 이상적으로 나타낸 모델입니다.
공기와 가솔린 증기의 혼합물이 실린더로 유입됩니다(a). 이 혼합물은 단열 압축됩니다(a-b). 실린더 부피가 감소하는 것을 확인할 수 있습니다. 공기와 가솔린 증기 혼합물은 일정한 부피에서 가열되어 연소됩니다(b-c). 연소된 가스는 단열 팽창합니다(c-d). 일정한 부피에서 냉각된 연소 가스는 배기 파이프로 배출되고, 새로운 공기와 가솔린 증기 혼합물이 실린더로 유입됩니다(d-a).
공기와 가솔린 증기의 혼합물이 실린더로 유입됩니다(a). 이 혼합물은 단열 압축됩니다(a-b). 실린더 부피가 감소하는 것을 확인할 수 있습니다. 공기와 가솔린 증기 혼합물은 일정한 부피에서 가열되어 연소됩니다(b-c). 연소된 가스는 단열 팽창합니다(c-d). 일정한 부피에서 냉각된 연소 가스는 배기 파이프로 배출되고, 새로운 공기와 가솔린 증기 혼합물이 실린더로 유입됩니다(d-a).
디젤 사이클
디젤 엔진의 작동 원리는 가솔린 엔진과 유사합니다. 차이점은 초기 단열 압축 단계에 있습니다. (단열 압축이란 열이 시스템 내부로 유입되거나 시스템에서 유출될 시간이 없을 정도로 빠르게 압축하는 것을 말합니다. 이 경우 시스템은 실린더입니다.) 가솔린 엔진에서는 공기와 가솔린 증기의 혼합물이 압축되는 반면, 디젤 엔진에서는 공기만 압축됩니다. 단열 압축으로 인해 공기의 온도와 압력이 상승합니다. 다음으로, 인젝터가 디젤 연료를 분사합니다. 공기의 온도와 압력이 이미 매우 높기 때문에 디젤 연료가 실린더에 분사되면 즉시 점화됩니다. 따라서 점화 플러그가 필요하지 않습니다. 아래 그림에 표시된 압력 값을 참고하십시오. B오토 사이클 다이어그램에 나타난 압력의 크기와 비교하십시오.
이 도표는 이상적인 디젤 사이클을 보여줍니다. 처음에는 공기가 단열 압축되고(a-b), 일정한 압력에서 가열됩니다. 인젝터가 디젤을 분사하면 연소가 일어나고(b-c), 연소된 가스는 단열 팽창(c-d)을 거쳐 일정한 부피에서 냉각됩니다. 연소된 가스는 배기관을 통해 배출되고 신선한 공기가 실린더로 유입됩니다(d-a).
위의 설명을 바탕으로, 각 열기관은 본질적으로 특정한 작동 물질을 가지고 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 증기 기관의 작동 물질은 물이고, 가솔린 엔진의 작동 물질은 공기와 가솔린 증기이며, 디젤 엔진의 작동 물질은 공기와 디젤 연료입니다. 작동 물질은 일반적으로 고온(Q)에서 열을 흡수합니다.H(W) 일을 하고, 남은 열을 더 낮은 온도(Q)에서 방출하는 과정입니다.L에너지가 보존되므로 Q는 다음과 같습니다.H = W + QL.
열기관의 효율
열기관의 효율(e)은 기관이 한 일(W)과 고온 열 입력(Q)의 비율입니다.H수학적으로는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
W는 우리가 얻는 이익이고, Q는 우리가 얻는 이익입니다.H 연료를 구매하고 연소하는 데 드는 비용을 이윤(QH)이라고 합니다. 인간은 언제나 최대한의 이익을 얻고 최대한의 지출을 줄이려 하기 때문에, 얻는 이익(W)이 부담하는 비용(QH)과 비례하기를 바랍니다. 과연 그것이 가능할까요?
에너지 보존 법칙에 따라 입력 열량(Q)은H)는 수행된 일(W) + 방출된 열(Q)과 같아야 합니다.L수학적으로는 다음과 같습니다.
열기관의 효율을 백분율로 나타내려면 효율 공식에 100%를 곱하기만 하면 됩니다. 위의 효율 공식에 따르면 방출되는 열량(Q)이 많을수록 효율은 높아집니다.L열기관에 의해 방출되는 열량(Q)이 클수록 열기관의 효율은 떨어집니다. 우리가 정말로 알고 싶은 것은 방출되는 열량(Q)입니다.L가능한 한 적게. 그러나 열 입력(Q)H에너지는 일반적으로 석유, 석탄, 가스 등을 태워서 얻습니다(우리가 돈을 내고 구매하는 연료).
그러므로 모든 열기관은 본질적으로 가능한 한 효율적으로 설계됩니다. 우리는 최소한의 비용으로 최대한의 이익을 얻기를 바라지만, 현실적으로 증기 기관의 효율은 보통 약 40%이고 내연 기관의 효율은 약 50%입니다. 이는 연료 연소로 발생하는 열의 절반이 낭비된다는 것을 의미합니다. 단 절반만이 기계 에너지로 변환됩니다.
예시 문제 1:
열기관은 3000줄의 열(Q)을 흡수합니다.H), 일을 하고(W) 2500 줄의 열(Q)을 방출합니다.L열기관의 효율은 얼마입니까?
논의
예시 문제 2:
열기관은 3000줄의 열(Q)을 흡수합니다.H), 일을 하고(W) 2000줄의 열(Q)을 방출합니다.L열기관의 효율은 얼마입니까?
논의
예시 문제 3:
열기관은 3000줄의 열(Q)을 흡수합니다.H), 일을 하고(W) 1500줄의 열(Q)을 방출합니다.L열기관의 효율은 얼마입니까?
논의
