열역학 1: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 8개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

이상 기체 법칙

이상 기체 법칙
pV = nRT
기체 상수
R = 8.314 J/(mol·K)
보일-샤를 법칙
p1V1/T1 = p2V2/T2
몰수
n = m/M
온도
T[K] = T[°C] + 273.15

에너지 수지

현열
Q = ṁ·cp·ΔT
잠열
Q = ṁ·hfg
혼합
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
물
cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

열기관과 냉동기

효율
η = W/QH = 1 − QC/QH
카르노 효율
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
냉동기 COP
COPR = QC/W
열펌프 COP
COPHP = QH/W = COPR + 1
에너지 수지
QH = W + QC

가스 동력 사이클

등엔트로피 과정, 부피비
T2/T1 = rk−1
등엔트로피 과정, 압력비
T2/T1 = rp(k−1)/k
오토 사이클 효율
η = 1 − 1/rk−1
디젤 사이클 효율
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
브레이턴 사이클 효율
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
공급 열량
오토: cv(T3 − T2) 디젤, 브레이턴: cp(T3 − T2)
브레이턴 사이클 순일
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
등엔트로피 효율
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
냉공기 표준
k = 1.4, cp = 1.005, cv = 0.718 kJ/(kg·K)

2연습 문제

1.이상 기체 법칙보통
O₂ 330 gP = 200 kPaT = 15 °CV = ?

200 kPa, 15 °C에서 O₂ 330 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 330 gM = 32 g/molP = 200 kPaT = 15 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
2.이상 기체 법칙어려움
CO₂, M = 44.01 g/molP = 750 kPaT = 10 °Cρ = ?

750 kPa, 10 °C에서 CO₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 44.01 g/molP = 750 kPaT = 10 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
3.에너지 수지보통
고온측저온측경유 · 180 °C120 °C물 · 20 °Ct = ? °C

뜨거운 경유이(가) 열손실 없는 대향류 열교환기에서 물을 냉각한다. 물의 출구 온도 tout을(를) 구하시오.

ṁh = 2.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측에탄올 · 140 °C60 °C물 · 25 °C70 °C · ṁ = ?15% 손실

뜨거운 에탄올이(가) 열교환기에서 물을 가열하는데, 이 열교환기는 고온 흐름이 내놓은 열의 15%를 주위로 잃는다. 필요한 물의 유량 ṁc을(를) 구하시오.

ṁh = 2.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Ct: 25 → 70 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 15 %
ṁc = kg/s
5.열기관과 냉동기보통
TH​ = 250 °CTL​ = 5 °CEQH​ = 3200 kJQL​W = ?

열기관이 250 °C의 고온 열원과 5 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 이 기관은 3200 kJ의 열을 받는다. 얻을 수 있는 최대 일 Wmax을(를) 구하시오.

TH = 250 °CTL = 5 °CQH = 3200 kJ
Wmax = kJ
6.열기관과 냉동기어려움
1050 °CTm​ = ?25 °CABWA​WB​

두 카르노 기관이 직렬로 작동한다. 기관 A는 1050 °C의 열저장소에서 열을 받아 온도 Tm의 중간 열저장소로 열을 방출한다. 기관 B는 그 열을 모두 받아 25 °C의 열저장소로 열을 방출한다. 두 기관이 같은 일을 한다. Tm을(를) °C로 구하시오.

TH = 1050 °CTL = 25 °C
Tm = °C
7.가스 동력 사이클보통
vP1234qin​qout​

이상적인 디젤 사이클의 압축비는 r = 20, 단절비는 rc = v₃/v₂ = 3이다. 압축 시작 시 공기는 290 K이다. 냉공기 표준 가정을 쓴다: 공기는 비열이 일정한 이상 기체이며 k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K), cv = 0.718 kJ/(kg·K)이다. 가열이 끝날 때의 온도 T3을(를) K 단위로 구하시오.

r = 20rc = 3T1 = 290 Kk = 1.4
T3 = K
8.가스 동력 사이클어려움
vP1234qin​qout​

가스 터빈 발전소가 압축기 압력비 10인 브레이턴 사이클로 운전된다. 공기는 310 K로 압축기에, 1100 K로 터빈에 들어간다. 두 기계 모두 등엔트로피 과정이다. 냉공기 표준 가정을 쓴다: 공기는 비열이 일정한 이상 기체이며 k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K), cv = 0.718 kJ/(kg·K)이다. 공기 1킬로그램당 순일 출력 wnet을(를) kJ/kg 단위로 구하시오.

rp = 10T1 = 310 KT3 = 1100 Kk = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg

3용액

1.이상 기체 법칙

답: V = 123.5 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 330/32 = 10.31 mol
T = 15 + 273.15 = 288.1 K

부피

V = nRT/P = 10.31·8.314·288.1/200 = 123.5 L

답

V = 123.5 L
2.이상 기체 법칙

답: ρ = 14.02 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 10 + 273.15 = 283.1 K

밀도

ρ = 750·44.01/(8.314·283.1) = 14.02 kg/m³

답

ρ = 14.02 kg/m³
3.에너지 수지

답: tout = 95.36 °C

열교환기 에너지 수지: 손실이 없으면 ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 2.5·2.1·(180 − 120) = 315 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 315/(1·4.18) = 95.36 °C

답

tout = 95.36 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 2.205 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 2.5·2.44·(140 − 60) = 488 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.15)·488 = 414.8 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 414.8/(4.18·45) = 2.205 kg/s

답

ṁc = 2.205 kg/s
5.열기관과 냉동기

답: Wmax = 1499 kJ

제2법칙의 한계: 절대 온도 TH와 TL인 열원 사이에서 작동하는 어떤 사이클도 가역(카르노) 사이클을 넘을 수 없습니다: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL), COPHP,max = TH/(TH − TL). 에너지는 항상 보존됩니다: QH = W + QL.

절대 온도

TH = 250 + 273.15 = 523.1 K
TL = 5 + 273.15 = 278.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 278.1/523.1 = 46.83 %

최대 일

Wmax = ηmax·QH = 0.4683·3200 = 1499 kJ

답

Wmax = 1499 kJ
6.열기관과 냉동기

답: Tm = 537.5 °C

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

절대 온도

TH = 1050 + 273.15 = 1323 K
TL = 25 + 273.15 = 298.1 K

같은 일

W = Q·(1 − Tlow/Thigh)이고 모든 열저장소에서 Q/T가 같으므로 W는 온도 강하에 비례합니다.

Tm = (1323 + 298.1)/2 = 810.7 K = 537.5 °C

답

Tm = 537.5 °C
7.가스 동력 사이클

답: T3 = 2884 K

디젤 사이클(압축 점화 기관): 1→2 등엔트로피 압축, 2→3 정압 가열, 3→4 등엔트로피 팽창, 4→1 정적 방열. 압축비 r = v₁/v₂, 단절비 rc = v₃/v₂일 때 T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂), η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1))입니다.

압축 종료 시

T2 = 290·200.4 = 961.2 K

정압 가열

T3 = rc·T2 = 3·961.2 = 2884 K

답

T3 = 2884 K
8.가스 동력 사이클

답: wnet = 243 kJ/kg

브레이턴 사이클(가스 터빈): 1→2 등엔트로피 압축, 2→3 정압 가열, 3→4 터빈에서의 등엔트로피 팽창, 4→1 정압 방열. 압력비 rp = P₂/P₁일 때 T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k, η = 1 − 1/rp(k−1)/k입니다. 순일 w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. 등엔트로피 효율을 고려하면 압축기는 ws/ηc가 필요하고 터빈은 ηt·ws를 냅니다.

등엔트로피 온도

T2 = 310·100.2857 = 598.5 K
T4 = 1100/100.2857 = 569.7 K

압축기 일과 터빈 일

wc = 1.005·(598.5 − 310) = 290 kJ/kg
wt = 1.005·(1100 − 569.7) = 532.9 kJ/kg

순일

wnet = 532.9 − 290 = 243 kJ/kg

답

wnet = 243 kJ/kg

역일비: wc/wt = 54.41%.

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