소방설비기사(기계) 물질의 상태량 — 비열과 잠열로 상태를 읽는다

열역학 제3법칙은 온도의 한계를 규정한다. 어떤 방법으로도 어떤 계를 절대영도에 이르게 할 수 없고, 절대영도에 가까워질수록 엔트로피는 0에 가까워진다. 제0법칙은 온도와 평형, 제1법칙은 에너지 보존, 제2법칙은 엔트로피 증가와 열의 방향을 다루므로 절대영도와는 구분한다.

제2법칙은 에너지 변환의 방향을 보여 준다. 손바닥을 비비면 마찰로 기계적 에너지가 열로 바뀌지만, 손바닥에 열을 가한다고 손이 저절로 비벼지지는 않는다. 열이 100% 기계적 일로 바뀌지 않는다는 점, 열이 저온에서 고온으로 저절로 이동하지 않는다는 점이 제2법칙의 핵심이다.

비열은 두 가지로 나뉜다. 정적비열 Cv는 부피가 일정할 때, 정압비열 Cp는 압력이 일정할 때의 비열이다. 정압 과정에서는 기체가 팽창하며 외부에 일을 하므로 같은 온도 상승에 더 많은 열이 필요하고, 그 차이가 기체상수다. 이상기체에서는 Cp − Cv = R이 성립하며 이것이 마이어 관계식이다. 분자량 4인 기체는 일반기체상수 8.314를 4로 나누어 기체상수 2.0785 kJ/kg·K를 얻는다. 1 kg을 35℃에서 65℃까지 정적 과정으로 가열하는 데 118 kJ이 들면, 온도 변화 30K로 나누어 정적비열이 약 3.93 kJ/kg·K가 되고, 여기에 기체상수를 더해 정압비열이 약 6.01 kJ/kg·K가 된다.

현열과 잠열은 상변화를 가르는 기준이다. 온도 변화의 형태로 나타나는 열에너지가 현열이고, 상태가 변할 때 쓰이는 열이 잠열이다. 비열은 물질의 성질인 물성치이지 열의 종류가 아니며, 증발열은 잠열의 한 종류다. 대기압에서 물을 계속 가열해도 물이 남아 있는 한 100℃ 이상으로 오르지 않는 것은, 공급된 열이 온도를 높이는 데가 아니라 액체를 기체로 바꾸는 기화 잠열로 쓰이기 때문이다. 수증기로 바뀌는 동안 온도가 일정하게 유지되는 이유가 여기에 있다.

상태방정식으로 상태량을 계산한다. 정압 과정에서는 부피가 절대온도에 비례하므로 V1/T1 = V2/T2로 최종 온도를 먼저 구한다. 20℃의 2m³ 기체를 정압으로 5m³까지 팽창시키면, 293K에 5/2를 곱해 732.5K가 되고 온도 변화는 439.5K다. 정압비열 2.06 kJ/kg·K를 질량 1 kg과 곱하면 필요한 열량은 약 905 kJ이다. 섭씨를 그대로 넣으면 값이 어긋난다.

압축 일은 과정의 이름에 따라 식이 달라진다. 단열 압축에서는 압축비와 비열비를 넣는다. 30℃의 공기를 98.67 kPa에서 986.7 kPa까지 단열 압축하면 압축비가 10이고, 기체상수 0.287 kJ/kg·K와 비열비 1.4를 단열 압축 일 식에 넣어 약 202.34 kJ을 얻는다. 지수 (k−1)/k가 0.286이 되는 점을 기억하면 계산이 빠르다.

폴리트로픽 압축에서는 지수를 먼저 구한다. 200 kPa와 60℃의 공기 1 kg이 2 MPa와 250℃로 바뀌면, 온도비와 압력비의 관계 (T2/T1) = (P2/P1)^((n−1)/n)로 폴리트로픽 지수 n을 정하고, 일량 식 W = mR(T2−T1)/(1−n)에 질량 1 kg, 기체상수 0.287 kJ/kg·K, 333K와 523K를 넣어 약 224 kJ을 얻는다. 압력을 kPa로, 온도를 절대온도로 통일하는 단계가 먼저다.