소방설비산업기사(기계) 상태변화와 폴리트로픽 과정 — 상변화 열량

폴리트로픽 지수는 과정의 종류를 표시한다. n이 비열비 k와 같으면 단열 과정이고, n이 1이면 등온 과정이다. 정압은 n=0, 정적은 n이 무한대인 경우로 구분한다. 등온 과정을 PVⁿ=일정으로 적으면 n이 1이 된다.

상변화의 방향도 상태량 변화로 이해한다. 기체를 액체로 만들려면 분자 운동 에너지를 줄이도록 온도를 낮추고, 분자 사이 거리를 좁히도록 압력을 높여야 한다. 온도를 높이거나 압력을 낮추면 기화가 촉진된다.

물을 증기로 만드는 열량은 세 단계를 더한다. 20℃ 물 10L를 대기압에서 110℃ 증기로 보내면, 100℃까지 가열하는 데 10×4.2×80으로 3360kJ, 기화에 10×2260으로 22600kJ, 증기를 110℃까지 과열하는 데 10×2.1×10으로 210kJ가 든다. 세 값을 더하면 약 26170kJ이고, 기화 단계가 대부분을 차지한다.

응축기에서는 열수지가 성립한다. 건포화증기 30kg/h를 포화수로 응축시키면 30×2520으로 75600kJ/h의 열이 나온다. 냉각수 1000L/h가 이 열을 모두 받으면 1000×4.2×ΔT=75600이므로 ΔT가 18℃이고, 입구 15℃에 더해 출구는 33℃가 된다. 증기가 버린 열과 냉각수가 받은 열을 같게 놓는 것이 핵심이다.

여러 단계가 이어지는 압축에서는 각 단계의 끝 상태를 다음 단계의 시작 상태로 넘긴다. 20℃, 100kPa 공기 1kg을 300kPa까지 등온 압축하면 온도는 293.15K로 유지되고, 이어서 1000kPa까지 가역 단열 압축하면 T₂=T₁(P₂/P₁)^((k-1)/k)에 따라 약 413K가 된다.