개념 한 쪽
에너지관리기사 온도 — 절대온도 환산과 비열 계산
온도는 압력·체적과 함께 열역학 상태를 규정하는 기본 상태량이다. 절대온도로 바꿔 기체 법칙에 넣는 법, 정압에서 부피가 절대온도에 비례한다는 관계, 비열과 온도차로 열량을 구하는 계산, 온도가 오를수록 줄어드는 성질을 함께 본다.
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뜻
온도는 계의 크기와 무관한 세기 상태량이다. 질량에 비례해 커지는 체적·엔탈피·엔트로피는 용량성(종량) 상태량이지만, 온도와 압력은 계를 나눠도 값이 그대로인 강도성 상태량이다. 상태량 관계식 TdS = dH − VdP에서 T·P는 세기 상태량, S·H·V는 용량성 상태량 쪽에 놓인다.
이상기체 법칙 PV=nRT에 넣는 온도는 반드시 절대온도다. 일정한 압력에서 기체 부피는 절대온도에 비례하므로, 15℃·1000m³ 공기를 같은 압력에서 200℃로 데우면 부피는 (273+200)/(273+15)를 곱한 약 1642m³가 된다. 섭씨 값을 그대로 비례식에 넣으면 답이 어긋난다.
비열은 열량을 질량과 온도차로 나눈 값이다. 정압 과정에서는 Cp, 체적 일정 과정에서는 Cv를 쓴다. 20kcal로 5kg 공기를 10℃에서 30℃로 올렸다면 평균 비열은 20÷(5×20)=0.2 kcal/kg·℃다. 정압비열은 1kg 기준 Q=Cp(T₂−T₁)에서 Cp=Q/(T₂−T₁)로 되돌려 구한다.
온도에 따라 늘어나는 성질과 줄어드는 성질을 가른다. 내부에너지·엔탈피·엔트로피는 온도의 증가함수지만, 증발열은 온도가 오를수록 작아져 임계점에서 0이 되는 감소함수다.
예제
선지 판단은 온도·압력을 세기 상태량으로, 체적·엔탈피·엔트로피를 용량성 상태량으로 가르는지, 정압 부피 변화에 절대온도 비를 쓰는지, 비열을 열량÷(질량×온도차)로 세우는지, 증발열을 온도의 감소함수로 읽는지에서 갈린다. 15℃·1000m³를 200℃로 예열해 1642m³가 된다는 계산과 평균 비열 0.2 kcal/kg·℃는 절대온도 환산과 정의식을 맞게 쓴 결과다. 섭씨끼리 바로 비례시킨 선지와 증발열을 증가함수로 본 선지는 어긋난다.
자주 묻는 물음
- 정압에서 기체 부피를 온도로 계산할 때 무엇을 주의하나요?
- 섭씨를 절대온도(K)로 바꿔 비를 세웁니다. 15℃와 200℃는 288K와 473K이므로 부피는 1000×473/288≈1642m³가 됩니다.
- 온도가 오를수록 줄어드는 대표 성질은 무엇인가요?
- 증발열입니다. 온도가 높아지면 증발열은 작아지고 임계점에서 0이 됩니다. 내부에너지·엔탈피·엔트로피는 반대로 증가합니다.
- 정압비열 Cp는 어떻게 계산하나요?
- 1kg 기체를 정압으로 데울 때 Q=Cp(T₂−T₁)이므로 Cp=Q/(T₂−T₁)입니다. 정적비열 Cv에 기체상수 R을 더한 값과도 같습니다.
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