개념 한 쪽
에너지관리기사 압력 — 세기 상태량과 개방계 일
압력은 계의 크기와 무관한 세기 상태량으로, 기체 법칙과 상태량 관계식에서 기준값 역할을 한다. 고정 용기 기체량을 압력과 온도로 재는 이유, TdS 관계식에서 압력이 놓이는 자리, 펌프에서 소요되는 일 −∫VdP, 드로틀 과정에서 일정하게 유지되는 상태량을 본다.
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뜻
압력은 온도와 함께 대표적인 강도성(세기) 상태량이다. TdS = dH − VdP에서 S·H·V는 질량에 비례해 커지는 용량성 상태량이고, P는 계의 크기와 무관하므로 용량성 상태량이 아니다. 같은 이유로 체적·엔탈피·엔트로피는 종량성질로 묶이고, 압력과 온도는 그 묶음에서 빠진다.
일정 체적 저장용기에 담긴 기체의 재고도 압력으로 읽는다. PV=nRT에서 V가 용적이라는 상수이므로 남는 변수는 P와 T뿐이고, 현장에서 두 값을 재면 기체량이 정해진다.
개방계에서 유체를 압축해 밀어내는 소요 일은 −∫VdP로 표시한다. 밀폐계의 소요 일 −∫PdV와 구분해야 하며, 펌프처럼 유체가 흐르며 압축되는 설비에는 전자 쪽 식을 쓴다. 압력이 일정한 과정이라면 VdP 항이 사라지는 식의 구조도 함께 기억한다.
드로틀 과정은 밸브를 지나며 압력이 떨어지는 단열 흐름이다. 외부에 일을 하지 않고 열도 주고받지 않으므로 엔탈피가 일정하게 유지되는 등엔탈피 과정이다. 열과 일은 경로에 따라 값이 달라지는 경로함수이고, 압력·온도·체적은 상태가 정해지면 값이 정해지는 상태함수다.
예제
선지 판단은 TdS = dH − VdP에서 용량성 상태량이 아닌 것을 압력으로 집는지, 고정 용기 기체 재고를 압력·온도 측정으로 푸는지, 펌프 소요 일을 −∫VdP 꼴로 세우는지, 드로틀 과정의 불변량을 엔탈피로 읽는지에서 갈린다. 압력을 용량성 상태량으로 본 선지, 밀폐계 소요 일 −∫PdV를 펌프에 그대로 적용한 선지, 드로틀에서 온도나 엔트로피가 일정하다고 본 선지는 어긋난다.
자주 묻는 물음
- 고정 용기 기체의 재고는 무엇으로 재나요?
- 압력과 온도입니다. 부피는 용적이라는 상수로 이미 정해져 있고, PV=nRT에서 남는 변수가 압력과 온도입니다.
- 펌프에서 소요되는 일은 어떤 식으로 표시하나요?
- −∫VdP입니다. 유체가 흐르며 압축되는 개방계의 식이고, 밀폐계의 −∫PdV와 구분합니다.
- 드로틀 과정에서 일정하게 유지되는 상태량은 무엇인가요?
- 엔탈피입니다. 단열이고 외부에 일을 하지 않으므로 등엔탈피 과정이 되고, 이상기체에서는 온도도 그대로입니다.
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