개념 한 쪽
에너지관리기사 엔탈피 — 정압 열량과 노즐 팽창
엔탈피는 내부에너지에 압력×체적을 더한 상태량으로, 정압 과정의 열량과 노즐·터빈의 일을 읽는 기준이 된다. 정압에서 Q=ΔH가 되는 까닭, 노즐에서 엔탈피 강하가 속도로 바뀌는 계산, TdS=dH−VdP가 성립하는 범위를 본다.
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뜻
엔탈피는 H=U+PV다. 정압 과정에서는 압력이 일정해 PΔV 항이 열량 쪽으로 그대로 넘어가므로 Q=ΔH가 된다. 등적 Q=ΔU, 등온 Q=W와 함께 과정별 관계로 묶어 두고, 단열은 Q=0이므로 ΔU=−W라는 점만 따로 표시한다.
노즐의 단열팽창에서는 엔탈피 강하가 운동에너지로 바뀐다. 엔탈피가 78에서 77 kcal/kg으로 1 kcal/kg 떨어지면 V=√(2gJΔh)=√(2×9.8×427×1)≈91.5 m/s가 된다. 열량을 kgf·m로 바꾸기 위해 gJ를 곱하는 단계가 필요하다.
TdS=dH−VdP는 상태량 사이의 관계식이므로 가역·비가역 모두 성립한다. 다만 경로를 따라 적분해 값을 구하는 계산은 가역 경로에서만 한다. 이 구분이 옳고 그름을 가르는 지점이다.
제1법칙은 열과 일이 형태만 바뀔 뿐 총량은 일정하다는 에너지 보존 법칙이다. 엔탈피는 이 보존식 안에서 정압 과정의 열량을 대신하는 상태량으로 자리한다. 등온압축 일 L=mRT·ln(V1/V2)도 같은 에너지식의 한 갈래이고, 15℃ 공기 1kg을 1/4로 압축하면 약 11,700 kg·m다.
예제
선지 판단은 정압 과정의 열량을 ΔH로 두는지, 노즐의 엔탈피 강하를 gJ로 환산해 속도로 바꾸는지, TdS=dH−VdP가 비가역에도 성립한다고 보는지, 제1법칙을 에너지 보존으로 읽는지에서 갈린다. 1 kcal/kg 강하에서 91.5 m/s를 얻는 계산과 등온압축 11,700 kg·m가 그 예다. 정압 열량을 ΔU로 쓴 선지, 상태량 관계식의 적분을 비가역 경로에서도 한다고 본 선지는 어긋난다.
자주 묻는 물음
- 정압 과정에서 열량은 무엇과 같나요?
- 엔탈피 변화 ΔH와 같습니다. 압력이 일정하면 PΔV 항이 열량에 그대로 반영되기 때문입니다.
- 노즐에서 엔탈피가 1 kcal/kg 떨어지면 속도는 얼마인가요?
- V=√(2gJΔh)에 대입해 √(2×9.8×427×1)≈91.5 m/s입니다.
- TdS=dH−VdP는 비가역 과정에서도 성립하나요?
- 상태량 사이의 관계식이므로 가역·비가역 모두 성립합니다. 경로 적분으로 값을 구할 때만 가역 경로를 씁니다.
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