기초열역학 (순수물질의 상태량)

2 순수 물질의 상태량 
(Properties of Pure Substances)

순수물질들의 개념
상변화 과정의 물리적인 의미 (상의 개념)
순수 물질의 상태량 선도
이상기체와 이상기체 상태 방정식
압축성 계수 : 실제 기체가 이상기체에서 벗어나는 정도  

2-1 순수물질 (Pure Substances)

전체적으로 화학조성이 고정되어있는 물질 (물, 질소, 헬륨, 이산화탄소 등)
혼합물도 혼합물이 균일하면 순수 물질
공기 : 여러 가지 기체의 혼합물이지만, 전체 화학적 조성 균일
얼음과 물의 혼합물 순수 물질 : 양쪽 상이 동일 화학적 조성
액체 공기와 기체 공기 순수 물질 아님

2-2 순수물질의 상
(Phases of a Pure Substance)

세가지 기본 상 : 고체 (Solid), 액체(Liquid), 기체(Gas)
분자 간의 결합 : 고체 > 액체 > 기체
고체 : 분자들은 상대적 고정위치
액체 : 각 분자 집단은 규칙적 구조
기체 : 각 분자 불규칙적 운동

2-3 순수 물질의 상변화 과정
(Phase-Change Processes of Pure Substances)

평형상태에서 순수물질 2개의 상이 공존하는 실제 경우 많음.
보일러와 응축기 : 액체와 증기 혼합물
증발기 : 냉매는 액체에서 증기로 상변화

2-3-1 압축액체 및 포화액체 (Compressed Liquid and Saturated Liquid)

2-3-2 포화증기와 과열증기 (Saturated Vapor and Superheated Vapor)

  비등 (기화, 액상과 기상 혼합)이 시작되면, 액체가 완전 기화시까지 온도일정. (압력이 일정하다면 상변화 과정중 온도일정)     At sea level (P=1 atm), the thermometer will always read 100°C if the pan is uncovered or covered with a light lid.

  기화(비등) 과정 동안 유일한 변화는 체적이 증가하고 액체의 양 점진적 감소.

2-3-3 포화 온도 및 포화압력 (Saturation Temperature and Saturation Pressure)

  포화온도 (saturation temperature) Tsat: 주어진 압력에서 순수물질이 비등하기 시작하는 온도
포화 압력 (saturation temperature) Psat: 주어진 온도에서 순수 물질이 비등하기 시작하는 압력
1 atm=101.325 kPa에서 물의 Tsat = 100°C
T=100°C에서 물의 Psat =1 atm=101.325 kPa

1 atm=101.325 kPa => 500 kPa. 에서 물은 151.9°C 비등 Tsat = f (Psat)의 관계식 존재 관계 곡선 : 액체-증기 포화 곡선 (Liquid-Vapor Saturation Curve)
그림 2-12
고도  => 대기압  => 포화 온도 (1,000m 증가 포화 온도 3°C하강)

2-6 상태량 표 
(Property Tables)

대다수 물질은, 열역학적 상태량들 사이의 관계를
식으로 나타내기에는 너무 복잡함.

상태량들을 표로 나타냄.

상태량은 측정 가능한 것도 있고 불가능한 것도 있다.

불가능한 것은 가능한 상태량과 관계식을 이용 계산

2-6-1 엔탈피-조합된 상태량
(Enthalpy – A combination Property)

Enthalpy (h)
시스템의 과정 해석 시, 자주 나타나는 상태량의 조합인 U+PV를 기호 H인 엔탈리로 정의

내부 에너지가 (u)가 표에 없다면
u=h-pv

2-6-2 포화 액체와 포화증기 상태량
 (Saturated Liquid and Saturated Vapor States)

ƒ : 포화액체 상태량 (properties of a saturated liquid)
g : 포화 증기 상태량 (properties of a saturated  vapor)
ƒg : 포화 증기와 포화 액체 값의 차이

υƒ: specific volume of saturated liquid
υg: specific volume of saturated gas
υƒg: difference between υg and υƒ (that is, υƒg=υg- υƒ )
hƒg : 기화 엔탈피 (Enthalpy of vaporization)

주어진 온도나 압력 하에서 단위 질량당의 포화 액체를
기화시키는데 필요한 에너지의 양
온도, 압력 증가 시 감소
임계점에서 ‘0’

2-6-3 포화액체-증기 혼합물
Saturated Liquid-Vapor Mixture

기화과정 동안, 물질의 일부는 액체로 일부는 증기로 존재
즉, 포화 액체와 포화 증기의 혼합물
혼합물 해석 위해, 혼합물 내 액체상과 증기 상의 비율(x)
건도 (quality) x: 혼합물 전체 질량에 대한 증기의 질량 비

과열증기와 압축액체

과열증기 : 단상, 온도와 압력 독립 상태량
임계 압력보다 낮고, 임계온도보다 훨씬 높은 온도
증기 표 사용
압축 액체 : 압력에 거의 독립
압축 액체 자료 없는 경우, 근사적으로 주어진 온도에서 포화 액체로 취급

매우 높은 압력에서 엔탈피

2-7 이상 기체의 상태 방정식
(Ideal-Gas Equation of State)

상태방정식 : 압력, 온도 및 비체적의 관계식
이상기체 상태 방정식 :기체상의 물질에 관한 가장 간단한 상태 방정식
  
Ideal-Gas Equation of State
Pv = RT
R: 기체 상수(Gas constant)
P:절대 압력, T:절대온도, v:비체적

Ideal-Gas Equation of State

기체상수는 기체마다 다름

Ru: 일반 기체 상수, Universal gas constant (8.314kJ/(kmol·K))
M: 분자량 (기체 분자 질량), 몰 질량 (molar mass) 몰 질량, M은 그램 단위로 1몰 질량 (gmol), 킬로그램 단위 1킬로 몰의 질량 (kmol)
질소 분자량 28, 질소 1 kmol의 질량이 28kg.
M=28kg/kmol.
시스템의 질량은 분자량 M과 몰수 N의 곱
m=MN (kg)