열역학 제2법칙 개요 등

열역학 제2법칙 개요 등

1. 열역학 제2법칙 개요

• 과정은 특정한 방향으로만 일어나고 거꾸로 되돌리는 방향으로는 일어나지 않는다. (가역과정 제외)

• 과정은 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙을 모두 만족하여야 일어난다.

• 열역학 제2법칙은 에너지가 양 quality 뿐만 아니라 질 quality 도 있음을 나타낸다.

• 공학자에게 중요한 것은 에너지의 양이 아니라 에너지의 질을유지하는 것이다.

• 전체 에너지량은 같더라도 낮은 온도를 가진 에너지보다 같은 양이더라도 더 높은 온도를 가진 에너지가 일로 변환되는 양이 많으므로 높은 온도를 가진 에너지가 좋은 질을 갖는다.

• 열역학 제2법칙은 열기관이나 냉동기 같은 공학시스템의 성능에 대한 이론적인 한계를 결정하는 데에도 적용된다.

2. 열저장조 heat reservoir

• 상대적으로 큰 열용량 (질량×비열)을 가져서 열을 흡수하거나 방출하더라도 온도변화가 거의 없는 가상의 물체이다.

• 열저장조의 경우 내적가역으로 가정한다. Sgen=0

3. 열기관 heat engines

• 열을 일로 변환하는 기관이다

높은 온도의 열원(태양, 용해로, 핵반응기 등의 열저장조)으로부터 열을 받는다.

받는 열의 일부를 일(보통 축일)로 변환한다.

저온의 열침(대기, 강 등의 열저장조)에 남은 폐열을 방출한다.

사이클로 작동한다.

출처 : http://www.mhtl.uwaterloo.ca/courses/ece309_mechatronics/lectures/pdffiles/summary_ch5&6.pdf

• 정밀 출력일 Wnet

• 열효율
  

열효율 = 정미 출력일 / 전체 입력 열

• Qout을 줄일 수 있는가?

모든 열기관은 완전한 사이클을 이루기 위해 저온 열저장조에 열의 일부를 폐열로 방출해야 한다.

열을 방출하지 않는다면 원래의 위치로 돌아올 수 없으므로 사이클을 완성할 수 없다.

열기관에서 고온 열저장조로 열을 방출하면 그 열을 다시 활용할 수 있겠지만 열은 스스로 저온에서 고온으로 이동하지 않는다. 따라서 저온 열저장소에 열을 방출할 수 밖에 없다.

따라서 열효율은 1 보다 작다.

4. 냉동기와 열펌프

출처 : http://www.mhtl.uwaterloo.ca/courses/ece309_mechatronics/lectures/pdffiles/summary_ch5&6.pdf

• 냉동기

낮은 온도의 물체에서 높은 온도의 물체로 열을 전달하기 위한 장치이다.

냉동기의 성능계수 COP(coefficient of performance) = 원하는 출력 / 요구되는 입력

냉동기의 성능계수 COP는 열효율과 달리 1보다 클 수 있다.

• 열펌프

냉동기와 열펌프는 같은 사이클로 작동되지만

냉동기의 목적이 열을 제거하는 것이라면 열펌프의 목적은 열을 공급하는 것이다.

냉장고는 냉장고 안의 열을 제거하는 냉동기인 동시에 냉장고 방열판을 통해 냉장고 밖으로 열을 공급하는 열펌프이다.

열펌프의 성능계수 COP = 원하는 출력 / 요구되는 입력 

열펌프의 성능계수 COP는 항상 1보다 크다.