기초열역학 (열역학2법칙)

Introduction to the Second Law of Thermodynamics

0th law of thermodynamics
If two bodies are in thermal equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other. 1st law of thermodynamics
Conservation of energy principle

A cup of hot coffee does not get hotter in a cooler room.

Transferring heat to a wire will not generate electricity.

Transferring heat to a paddle wheel will not cause it to rotate. 차운방에 있는 뜨거운 커피는 더 뜨거운 지지 않는다. (추운 방으로 열전달, 열전달된 열이 다시 커피로 오지 않음)

전선에 전기열이 나가지 나간 열이 다시 전기를 발생 안 함.

Transferring heat to a paddle wheel will not cause it to rotate. 과정들은 어떤 한 특정 방향으로 일어나지 다시 역방향으로 일어나지 않는다.

따라서, 과정은 열역학 1법칙과 2법칙을 동시에 만족시켜야 한다.

제2법칙은 에너지 양뿐만 아니라, 질적 감소 정도 결정에 필요한 수단.

고온의 에너지가 같은 양의 저온의 에너지보다는 더 많은 일로 변환될 수 있으며, 더 높은 에너지의 질 갖는다.

Thermal Energy Reservoirs

열에너지 저장소, 열원 (Thermal energy reservoir)
온도 변화 겪지 않는 유한한 양의 열을 공급 또는 흡수할 수 있는 가상적인 물체 (큰 열용량 , 질량 X 비열)

이상상태의 시스템도 가능 (상변화 시 일정 온도 유지)

열 형태로 에너지 공급, 열원 (source)
열 형태로 에너지 흡수, 열 싱크(sink)

열기관 (Heat Engines)

일은 열로 변환 (내부 에너지 -> 열)
그림 상태에서 열이 일(축 회전) 변환 안됨.
즉, 일은 열로 직접 변환 가능
따라서, 열을 일로 변환 위해 장치 필요
이 장치 열기관

Heat Engines

열기관 열원(고온) 열 받음 (태양, 로 등)

열기관 열 일부 일로 변환 (회전축)

열기관 남은 열 (폐열) 저온 열 싱크로 보냄 (강, 대기 등) 사이클로 작동 열기관이나 사이클 장치 작동 동안 열을 흡수하거나 방출할 유체 포함 작동유체 (Working Fluid)

열기관 열역학적 사이클 작동하지 않는 장치 포함 (작동유체, 연소가스 -> 자동차 엔진, 터빈).

열기관 정의에 가장 적합한 증기 동력 플랜트 ( steam power plant)

외부로 행해지는 순수일
Net work output:  Wnet, out = Wout – Win  (kJ) [전체 외부로 일 – 전체 내부의 일]
시스템일은 시스템에 전달된 순 열의 양과 같다.:
Wnet, out = Qin – Qout  (kJ)
열효율 = 순일/들어온 총 열의 양
Since Wnet, out = Qin - Qout

The Second law of Thermodynamics:
Kelvin-Planck Statement

사이클로 작동하는 어떤 장치라고 단일 열원으로부터 열을 받아 순 일을 생산한다는 것은 불가능함.

어떤 열기관도 100%의 열효율을 가질 수 없고 발전기를 작동시키기 위해 작동유체는 노뿐만 아니라 주위와도 열을 교환해야 한다.

5-4. 냉동기와 열펌프 
(Refrigerators and Heat pumps)

냉동기 (refrigerators) : 저온부에서 고온부로 열은 전달하기 위해 필요한 특별한 장치. (열기관 같이 사이클 장치임)
냉매 (refrigerant) :냉동사이클에 작동되는 작동유체
증기-압축 냉동사이클 (냉동사이클에 가장 많이 사용되는 사이클)
네 가지 주된 구성요소 : 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기
압축기 :
   증기 상태 냉매 압축 (응축기 압력까지), 고온 고압
응축기 :. 응축기 코일 통과 시 냉각 응축,
    열 외부로 방출 (저온, 동압)
팽창밸브 : 압력, 온도 급격히 감소
증발기 : 낮은 온도 냉매,
    냉동 공간의 열 흡수 증발

Refrigerators and Heat pumps

냉공기 : 냉각실에서 QL을 제거

QH: Magnitude of the heat rejected to the worm environment at TH. Wnet, out: Net work input to the refrigerator 냉동기의 효율 : 성적계수
Coefficient of Performance (COP)
Objective of a refrigerator: Remove heat QL Conservation of energy principle for a cyclic device requires
Wnet, in = QH - QL

열펌프 (Heat pumps)
저온부에서 고온부로 열전달 장치
    (따뜻한 방에 열 QH를 공급)
Heat pumps operates on the same cycle with refrigerators but differs in their objectives.

The Second Law of Thermodynamics:
Clausius Statement

어떠한 장치도 저온 물체로부터 고온 물체로 주위에 아무런 영향을 주지 않고 열을 전달할 수 없다.
(압축기 필요, 열전달에 추가하여 주위에 주는 순 효과는 일의 형태로서의 에너지 소비 포함)

Kelvin-Planck Statement:
단일 열원만으로 순 일을 생산할 수 있는 열기관 없음.

5-5 영구기관 (Perpetual-Motion Machines)

영구기관 (perpetual-motion machine ) : the 1st and 2nd laws of thermodynamics을 어기는 장치.
제1종 영구 기관 (PMM1) : 제1법칙을 어기는 장치
제2종 영구 기관 (PMM2) : 제2법칙을 어기는 장치

5-6. 가역과 비가역 과정 
(Reversible and Irreversible Processes)

열역학 법칙 서술 핵샘은 100% 열기관 없다.
가역 과정 :주위에 어떠한 자취 (에너지 손실) 도 남기지 않고 역으로 갈 수 있는 과정 (그림 5-31 : 마찰 없는 pendulum, 준평 형 과정의 팽창 압축 )
비가역 과정 : 가역이 아닌 과정

가상의 가역 과정에 관심을 가지는 이유?
1. 해석이 쉽다. (과정 동안 일련의 평형상태 통과)
2. 실제 과정과 비교될 수 있는 이상적인 모델

Reversible and Irreversible Processes

비가역적이게 하는 요소
   - 마찰
   - 비준 평형 팽창과 압축
   - 열전달

  내적 가역 과정과 외적 가역 과정

5-7 카르노 사이클 (The Carnot Cycle)

열기관은 사이클 장치이고 열기관의 작동유체는 각 사이클의 끝에는 초기 상태로 돌아 감.
최소 일로 최대 일 전달 가역 과정으로 구성된 사이클이 가장 효율적인 사이클임.(이상적)
1824년 프랑스 공학자 Sadi Carnot가 제안한 이론상 열기관 카르노 사이클 겪는 카르노 열기관

2개의 등온 과정과 2개의 단열, 4개의 가역 과정으로 구성
밀폐 또는 정상 유동 시스템에서 수행
가격 등온 팽창 (Reversible isothermal expansion)
가역 단열 팽창 (Reversible adiabatic expansion)
가역 등온 압축 (Reversible isothermal compression)
가역 단열 압축 (Reversible adiabatic compression)

The Carnot Cycle

초기 가스온도 TH이고 실린더 헤드 TH온도
열원에 접촉 -> 팽창 주위에 일 ->
일하여 가스온도 감소하나 열원 즉시 열 주입
TH 유지 -> 2 지점 도달까지 가스로 전달되는
총열량 QH

열원 제거 단열재 사용 단열
가스 팽창 가스온도 TH -> TL 떨어질 때까지
주위에 일
피스톤 마찰 없고 그 과정은 준평 형이므로
가역 단열 과정

단열재 제거 실린더는 TL의 열 싱크와 접촉
피스톤 안으로 밀려 가스에 일, 가스 압축 ->
가스 온도 상승 -> 열원에서 즉시 열전달 ->
TL로 유지
-> 가스로 방출되는 열량 QL

열원 제거 단열재 사용 단열
가역적 방법으로 가스 압축
TL -> TH 가스 온도 상승
사이클 완성

역 카르노 사이클
 (The Reversed Carnot Cycle)

카르노 열기관은 내외적 가역 사이클 따라서 모든 과정 역을 될 수 있다.-> Carnot 냉동 사이클 (Carnot Refrigeration Cycle.)

Heat in the amount of QL is absorbed from the low-temperature reservoir.
Heat in the amount of QH is rejected to a high-temperature reservoir.
Work input of Wnet, in is required to accomplish all this.

5-8 Carnot의 원리 
(The Carnot Principles)

동일한 열원에서 작동하는 가역 열기관의 효율은 어떤 비가역 열기관의 효율보다 높다.
동일한 열원 사이에서 작동하는 모든 가역 열기관의 효율은 항상 같다.

5-9 열역학적 온도 눈금 
(The Thermodynamic Temperature Scale)

온도 측정 위해 사용되는 물질의 성질에 무관한 온도 눈금을 열역학적 온도 눈금이라 함. (열역학 계산 편의 제공)
가역 열기관을 사용 정의
가역 열기관의 효율은 열원의 온도만의 함수 (작동유체, 물성치
사이클 구현 방법과 무관)

ηth, rev = g(TH, TL) or QH/QL = f(TH, TL) ηth = 1 - QH/QL , 여기서 TH, TL 고온 열원과 저온 열원의 온도