개념 한 쪽
공조냉동기계기사 과정과 사이클 등 — 엔탈피·상태량 분류·사이클 에너지
이 세트는 열역학에서 상태를 나타내는 양과 사이클의 에너지 관계를 다룬다. 엔탈피와 내부에너지의 관계, 압력과 부피로 계산하는 엔탈피 변화, 강도성 상태량과 종량적 상태량의 구분, 한 사이클을 돌았을 때의 에너지 합이 중심이다.
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뜻
엔탈피는 내부에너지에 압력과 부피의 곱을 더한 상태량이다. 식으로는 H=U+PV이며, 내부에너지를 구할 때는 U=H-PV로 뒤집는다. 압력 0.3MPa, 부피 0.3m³, 엔탈피 100kJ이면 압력을 300kPa로 바꾸어 PV=90kJ를 얻고, 내부에너지는 100-90=10kJ다. kPa와 m³를 곱하면 그대로 kJ이 된다.
엔탈피 변화는 내부에너지 변화에 PV 변화를 더해 구한다. ΔH=ΔU+Δ(PV)이며, Δ(PV)는 나중 상태의 압력×부피에서 처음 상태의 압력×부피를 뺀다. 처음 50kPa·3m³, 나중 900kPa·0.5m³이면 450-150=300kJ이고, 내부에너지가 160kJ 늘었으므로 엔탈피는 460kJ 늘어난다.
상태량은 계의 크기에 따라 두 갈래로 나뉜다. 온도, 압력, 밀도, 비체적처럼 계의 크기와 무관한 것이 강도성 상태량이다. 질량, 체적, 내부에너지, 엔탈피처럼 질량에 비례해 커지는 것이 종량적 상태량이다. 비체적은 단위 질량당 체적이므로 질량이 커져도 값이 변하지 않아 강도성이다. 밀도도 질량과 부피가 함께 커져 값이 그대로이므로 강도성이다.
사이클은 계가 처음 상태로 돌아오는 과정이다. 그래서 한 사이클을 마치면 내부에너지 변화가 0이 되고, 계로 전달된 모든 에너지의 합도 0이 된다. 에너지가 들어오고 나간 양은 서로 상쇄된다.
예제
출제 패턴은 세 가지다. ① 엔탈피 정의 — H=U+PV이므로 U=H-PV이며, 300kPa·0.3m³이면 PV가 90kJ라 내부에너지는 10kJ다. ② 엔탈피 변화 — ΔH=ΔU+Δ(PV)이며, 160+(450-150)=460kJ이다. ③ 상태량·사이클 — 온도·압력·밀도·비체적은 강도성, 질량·체적·내부에너지·엔탈피는 종량적이며, 사이클에서는 ΔU와 순 에너지 전달 합이 0이다.
자주 묻는 물음
- 엔탈피와 내부에너지는 어떤 관계인가요?
- 엔탈피는 내부에너지에 압력과 부피의 곱을 더한 값이다. H=U+PV이므로 내부에너지는 H-PV로 구한다. 300kPa, 0.3m³, 100kJ이면 PV가 90kJ이고 내부에너지는 10kJ다.
- 강도성 상태량과 종량적 상태량은 어떻게 구분하나요?
- 계의 크기와 무관하면 강도성이다. 온도, 압력, 밀도, 비체적이 여기에 든다. 질량에 비례해 커지면 종량적이며, 질량, 체적, 내부에너지, 엔탈피가 해당한다.
- 한 사이클을 돌면 에너지는 어떻게 되나요?
- 사이클은 처음 상태로 돌아오므로 내부에너지 변화가 0이다. 열역학 제1법칙에 따라 계로 전달된 모든 에너지의 합도 0이 되어, 들어온 에너지와 나간 에너지가 상쇄된다.
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