소방설비산업기사(기계) 밀폐계 열역학 제1법칙 — 등적·등압·단열과 교축

에너지 수지는 들어온 것과 나간 것을 부호와 함께 더한다. 용기 속 유체를 젓는 데 5000kJ의 일이 들어가고 외부로 2000kJ의 열이 나갔다면, 내부에너지 증가량은 5000에서 2000을 뺀 3000kJ다.

등적 과정에서는 부피가 변하지 않아 일이 0이므로 열량이 내부에너지 변화가 된다. 200L 용기에 800kPa, 200℃의 공기를 넣고 500kPa까지 냉각하면, 상태방정식으로 질량을 구하고 등적 관계로 온도를 낸 뒤 정적비열과 질량, 온도차를 곱해 약 150kJ의 열을 제거한다.

등적 가열에서는 압력이 절대온도에 비례한다. 300kPa, 0℃의 기체를 100℃까지 가열하면 300×373/273으로 최종 압력이 약 410kPa가 되어 상승량이 약 110kPa다. 섭씨를 켈빈으로 바꾸지 않으면 값이 어긋난다.

등압 팽창에서는 부피가 두 배가 되면 절대온도도 두 배가 된다. 20℃ 공기 3kg을 등압 팽창시켜 부피를 두 배로 만들면 온도 변화가 293K이고, 정압비열 1.004kJ/(kg·K)를 곱해 공급 열량이 약 883kJ이 된다. 산소가 정압하에서 비체적 0.6m³/kg에서 0.4m³/kg으로 줄면 473K에 0.4/0.6을 곱해 315.3K가 되고, 섭씨로는 약 42.3℃다.

가역 단열 팽창에서는 온도가 압력비의 지수로 변한다. 2MPa, 250℃의 공기가 0.2MPa까지 팽창하면, 절대온도 523.15K에 압력비 0.1의 (k-1)/k 제곱을 곱해 약 271K가 된다. 압력비가 10분의 1이어도 온도는 절반 정도로 떨어진다.

교축 과정은 유체가 좁은 개구부를 지나며 압력이 떨어지는 현상이다. 마찰과 와류 손실이 따라붙어 엔트로피가 증가하므로 비가역 과정이다. 등적·등압·폴리트로픽 변화는 조건에 따라 가역으로 다룰 수 있지만 교축은 본질적으로 비가역이다.

실제 기체는 고온·저압에서 이상기체에 가까워진다. 온도가 높으면 분자 운동 에너지가 커져 인력의 영향이 줄고, 압력이 낮으면 분자 사이 거리가 멀어져 분자 부피 효과가 작아진다.