공조냉동기계기사 물질의 상태와 상태량 — 엔탈피 정의식과 상태량 분류

엔탈피는 내부에너지에 흐름일을 더한 값으로 정의된다. 비체적을 쓰면 h = u + Pv이고 총량으로 쓰면 H = U + PV이며, 압력과 체적을 곱한 항은 유체가 흐르면서 밀어내는 일을 뜻한다. 단위는 압력을 kPa로, 체적을 m³로 맞추면 그 곱이 그대로 kJ이 되므로, 환산을 줄이려면 압력을 kPa로 통일하는 것이 좋다. 닫힌 사이클을 한 바퀴 돌아 제자리로 오면 내부에너지 변화의 합은 0이 되고, 공급한 열량에서 한 일을 뺀 값이 내부에너지 변화와 같아진다.

정의식을 뒤집으면 내부에너지가 나온다. u = h − Pv이므로, 0.2 MPa를 200 kPa로 바꾸어 v 0.67319 m³/kg과 곱한 134.638 kJ/kg을 엔탈피 1486.8 kJ/kg에서 빼면 약 1352.2 kJ/kg이 된다. 압력을 MPa 그대로 두고 곱하면 값이 1,000배 어긋나므로 단위를 맞추는 일이 먼저다.

변화량을 묻는 문제에서는 ΔH = ΔU + Δ(PV)를 쓴다. 내부에너지의 변화가 없다고 하면 엔탈피 변화는 압력과 체적의 곱의 차이만 남는다. 50 kPa에 2.5 m³이던 기체가 1.2 MPa, 0.2 m³로 변하면 1,200 × 0.2 = 240 kJ에서 50 × 2.5 = 125 kJ을 빼 115 kJ이 되고, 50 kPa에 2.0 m³이던 기체가 1,000 kPa, 0.2 m³로 변하면 200 − 100 = 100 kJ이 된다.

총량을 묻는 문제에서는 정의식에 그대로 넣는다. 10 kg의 증기가 내부에너지 6,700 kJ, 압력 38 kPa, 체적 7.5 m³라면 곱한 285 kJ을 더해 6,985 kJ이 되고, 내부에너지 40 kJ, 압력 200 kPa, 체적 0.1 m³라면 20 kJ을 더해 60 kJ이 된다. 이때 함께 주어지는 온도는 정의식에 들어가지 않는 값이라 쓰지 않는다.

과정과 상태량의 구분도 이 묶음에 들어온다. 정압과정에서 시스템에 전달된 열량은 엔탈피 변화량과 같으며, 엔트로피 변화량과 같다고 적으면 틀린다. 비열은 단위 질량의 온도를 1℃ 올리는 데 드는 열량이다. 내부에너지는 질량에 비례하는 상태량이고, 온도와 압력, 비체적은 질량과 무관하게 값이 정해지는 강성적 상태량이다. 고체가 액체로 변하는 것은 융해, 고체가 기체로 곧바로 변하는 것은 승화라고 부른다.