개념 한 쪽
가스의 양과 부피, 압력, 온도의 관계를 계산하고 혼합기체의 평균분자량과 연소열·생성열의 관계를 확인한다. 기체를 이상기체로 보고 상태방정식을 적용하는 문제와 밀도 측정 기구, 기체 연료의 특성을 함께 다룬다.
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출제기준 단원 「가스분석 및 열량」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 등적 가열의 압력 변화 | 1 | 부피가 일정할 때 가열에 따른 압력과 온도의 관계를 가린다 |
| 기체 연료 특성 판별 | 1 | 연소 조절과 복사 열전달 등 기체 연료의 성질을 가린다 |
| 기체 중량 계산 | 1 | 주어진 압력과 부피, 가스정수로 산소 중량을 계산한다 |
이상기체 상태방정식은 압력, 부피, 온도, 몰수 또는 중량과 가스정수의 관계를 나타낸다. 일정 부피에서 기체를 가열하면 분자 운동 에너지가 커지고 압력도 함께 상승한다. 계산에서는 섭씨온도를 절대온도로 바꾸고 게이지압을 대기압과 합한 절대압으로 변환한다.
혼합기체의 평균분자량은 각 성분의 체적분율에 해당 분자량을 곱한 값을 모두 더해 구한다. 성분별 체적분율을 소수로 바꾸고 분자량을 곱하는 순서로 계산한다.
열화학에서는 헤스 법칙을 적용해 반응의 열 효과를 생성열의 합으로 다룬다. 연소열은 생성물의 생성열 합에서 반응물의 생성열 합을 빼는 식으로 세우고, 원소의 생성열은 0으로 둔다.
가스분석 기구로는 피크노미터를 사용한다. 피크노미터는 일정 부피의 액체 질량을 이용해 밀도와 비중을 구하는 기구이며, 비열이나 발화점, 열량을 측정하는 기구와 구분한다.
기체 연료는 연소성이 뛰어나 조절이 간단하고 자동화가 용이하다. 화염의 방사율이 작아 복사 열전달이 적다는 특성도 함께 확인한다. 열전도율의 단위는 kcal/m·h·℃로 두고 열관류율 단위와 혼동하지 않는다.
혼합기체의 평균분자량은 각 성분의 체적분율에 분자량을 곱해 더한다. 이산화탄소가 32퍼센트, 산소가 5퍼센트, 질소가 63퍼센트인 경우 0.32×44 + 0.05×32 + 0.63×28 = 33.32가 되어 약 33.3이 된다.
CH4의 연소열과 CO2, H2O의 생성열을 이용할 때는 연소열 = 생성물 생성열 합 - 반응물 생성열 합으로 세우고 O2의 생성열을 0으로 둔다. 이 관계에서 CH4 생성열의 크기는 17.9 kcal/mol로 계산된다.
이상기체를 일정한 부피에서 가열하면 압력과 온도의 변화는 어떻게 되는가?
정답 ① · 문항은 이상기체를 일정한 부피로 가열할 때 압력과 온도의 관계 변화를 묻는다. 일정 부피에서의 이상기체 상태방정식 PV = nRT에 따르면 부피 V와 몰수 n이 일정하면 압력 P는 절대온도 T에 비례하여 증가한다.
이상기체는 일정한 부피에서 가열되면 온도가 상승하고, 이에 따라 압력도 비례하여 증가한다.
기체 연료의 특성을 설명한 것이다. 맞는 것은?
정답 ② · 문항은 기체 연료의 특성 중 옳은 것을 고르는 문제이다. 기체 연료는 연소 반응이 빠르고 균일하여 연소 조절이 비교적 쉽고 자동화가 용이하다는 장점이 있다.
기체 연료는 연소성이 뛰어나 조절이 간단하고 자동화가 용이하며, 화염 방사율이 작아 복사 열전달이 적다.
산소가 20℃에서 5m³ 의 탱크 속에 들어 있다. 이 탱크의 압력이 10 kg/cm² 이라면 산소의 중량은 몇 kg 인가? (단, 산소의 가스정수는 26.5 이다.)
정답 ④ · 문제는 이상기체 상태방정식을 이용해 주어진 탱크 내 산소 질량을 계산하는 문제이다. 이상기체식 W = PV / (R T)를 사용하며 압력은 10 kg/cm², 부피 5 m³, 온도는 20℃ 즉 293 K, 기체상수 R은 26.5(단위에 유의)로 대입한다.
이상기체 상태방정식 PV=WRT를 이용하여 중량 W를 계산하면 약 64.4kg이 된다.
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