1. 엔탈피란 무엇인가?
엔탈피란 일정한 압력 하에서, 계가 얻은 열 또는 잃은 열 에너지를 나타낸다. 단위는 J이다.
밀폐계 (closed system)는 계의 경계를 통과하는 질량 유동이 없는 시스템이다.
자동차 엔진, 압축기 같은 왕복기구가 밀폐계에 해당된다.
밀폐계의 에너지 보존 법칙을 기반으로 열을 계산하기 위해서는 "비열" 개념이 필요하다.
비열 : 단위 질량의 물질을 단위 온도 만큼 올리는 데 필요한 에너지. 에너지 과정에 따라 정적비열과 정압비열로 나뉜다. 단위는 [J/kgK]이다.
정압비열이 정적비열보다 큰 이유는 압력이 일정한 경우 압축/팽창을 허용하기 때문에 압축일/팽창일 만큼의 에너지 공급이 필요하다.
cf. 내부에너지 : 한 계에 열이나 일을 공급하고, 그 계가 외부로 일을 하지 않고 열전달도 하지 않는다면, 공급된 에너지는 이 계의 내부에너지로 저장되었따고 할 수 있다.
정압비열은 엔탈피와 온도의 관계식으로 이루어진다.
따라서 엔탈피는 압력이 일정할 때, 계가 얻은 열/잃은 열 에너지를 나타낸다. (흡열과정/방열과정)
p. 194 셍겔의 열역학 참고
2. 엔트로피란 무엇인가?
열역학적 계의 일로 변환할 수 없는 에너지 흐름을 성명할 때 이용되는 상태량(property). 사이클 적분이 0인 양은 단지 상태만 의존하기 때문에 과정의 경로와 무관하다.
- 열역학 1법칙 : 에너지 보존 법칙
- 고립계에서는 에너지가 창조/파괴되지 않으며, 단순히 형태만 변화한다.
- 열과 일은 변환이 가능하다.
- 닫힌계에 가한 열은 계의 내부에너지 변화량과 외부에 한 일의 합과 같다.
- 열역학 2법칙 : 엔트로피 증가의 법칙
- 엔트로피는 절대 감소하지 않으며 일정하거나 증가한다.
- 에너지 흐름 방향성을 제시하고 비가역성을 설명한다.
- 일은 모두 열로 변환 가능하지만 열은 모두 일로 변환할 수는 없다. (열기관)
- 열역학 3법칙 : 절대온도 법칙
- 절대온도 0K에 가까워질수록 엔트로피 변화량은 0에 근접하다.(=엔트로피가 일정) → 그 계에서 가장 낮은 상태의 에너지이다. (0K으로 완전히 낮추는 것은 불가능하다.)
클라시우스가 제안한 combined system에서 1 cycle 동안 에너지 보존 식을 살펴보면 Wc만큼의 일을 소비하는 것을 알 수 있다. (열역학 2법칙에 의해 열저장조와 열교환만으로는 일을 생산할 수 없기 때문에 소비일이라는 것을 알 수 있음)
엔트로피 증가의 원리는 비가역동안 더 만들어진 엔트로피 생성(S_gen)으로 인해 엔트로피는 항상 증가한다 = 열전달이 없는 경우 엔트로피 변화는 비가역성 때문이다.
- 엔트로피 특성
- 과정은 정해진 방향으로만 일어날 수 있다. (S_gen이 증가하는 방향으로 진행)
- 엔트로피는 보존되지 않는 상태량으로 모든 실제 과정에서 엔트로피는 증가한다.
- 실제 장치 성능은 비가역성 때문에 나빠지므로 S_gen은 비가역성 크기의 척도로 활용이 가능하다.
- 등엔트로피 과정(internally reversible adiabatic) : 엔트로피 변화량이 0인 과정으로 펌프, 터빈, 노즐, 디퓨저가 해당된다.
p. 359 셍겔의 열역학 참고