Intro
안녕하세요. 제하공제입니다.
몇 번의 계산을 통해 알게 된 사실들은, 유체의 온도 변화에 따라 계산되는 에너지변화는 물질이 가지고 있는 고윳값에 따라 결정이 된다는 것입니다. 다시 말해, 물질의 열 용량(Heat Capacity)인 Cp, Cv에 따라서 정해집니다. 그렇다면 에너지를 가할 경우에는 무조건 모든 물질의 온도가 변하게 되는 걸까요?
정답은 아닙니다.
물질의 상태변화 과정에 따라 해당 에너지는 두 가지로 분류될 수 있으며 아래에서 내용을 확인해 보도록 하겠습니다.
열효과 ( Heat Effect )
정의하면, 열효과라는 것은 시스템으로 전달되는 열과 관련된 모든 화학적, 물리적 현상을 의미하며 또는 시스템의 온도 변화와 관련된 모든 물리, 화학적 현상을 나타냅니다.
위에서 설명했듯이, 두 가지로 분류되는 heat efffect는 헌열(Sensible Heat)과 잠열(Latent Heat)입니다.
에너지 단위는 [kJ / kg]입니다.
헌열 (Sensible heat)
먼저 현열은 상 변화, 화학반응, 조성의 변화가 없는 계로 열이 전달되면 각 물질의 열용량에 따라 온도 변화를 발생시키는 에너지를 나타냅니다. 이렇게 전달된 열의 양과 그 결과로 초래되는 온도 변화 사이의 관계를 정의하며 아래 슬라이드 그래프의 온도 상승 구간을 의미합니다.
직역을 해보자면, 감지할 수 있는 열, 보이는 열 정도가 되겠다. 예를 들어, 상온에 있는 물을 위 사진과 같이 주전자에 담아 열을 가해주면, 물의 온도는 25C부터 지속적으로 증가하여 100C까지 도달하는 것을 확인할 수 있다.
잠열 (Latent Heat)
잠열은 유체의 증발, 응축, 융해 등 상태 변화에 필요한 열을 말하며, 이 구간에서 열은 지속하여 유체 내부로 유입되지만 온도는 변하지 않는다. 아래 슬라이드에서 물이 기화될 경우, 총 538.8 kcal/kg의 에너지가 투입되지만 온도는 100℃에서 변화되지 않는다.
다시 말해, 눈에 보이지 않는 온도라고 직역할 수 있으며, 직접적으로 열의 공급에 따라 시스템의 유의미한 온도변화가 관측되지 않는 것을 말합니다. 들어가 열은 그럼 어디에 사용되나요? 내부 화학반응 또는 상태변화를 위해 소모됩니다.
공정설계 엔지니어로서 다루게 되는 다양한 공정들은 모두 내부의 화학반응을 통해 평형상태에 도달해야 합니다. 평형상태에 도달하였을 때 나타내는 온도가 있고, 이는 화학반응 간 열을 방출하거나 흡수하는 과정을 거쳐 결정되는 상태입니다. 따라서 열과 온도 변화를 정량적으로 측정하여 각 물질의 열용량(Heat Capacity) 값을 정할 수 있다면, 우리는 공정의 온도를 확인하여 상태를 예측할 수 있게 됩니다.
이번 시간범위를 벗어나지만, 혼합열에 대한 예외를 나중에 기회가 되면 '용액열역학'이라고 하는 Ep에서 다뤄볼 예정입니다. 공학용 계산기가 필요한 적분 계산이 포함되지만, 이론은 간단하니 한번 정리해 보도록 하겠습니다.
추가) 열역학에서의 문장해석
우리가 잘 알고 있는 부동액, 즉 에틸렌글리콜을 만드는 과정은 아래와 같습니다.
여기서 글리콜은 -OH 수산화기가 두 개 붙은 탄소 화합물로 나타내어집니다.
처음 반응에서 에틸렌은 산소와 산화되는 과정을 거치는데, 기 공정은 일반적으로 250C의 온도 조건에서 반응하기 때문에 공정을 상당히 가열해주어야 합니다. 그런데, 이 반응은 발열 반응입니다. 따라서, 반응기 내부에서 발생하는 온도를 냉각시켜주지 않으면 공정의 온도는 계속 증가하여 반응물 쪽으로 평형이 이동하게 됩니다. 간단히 키워드만 설명하면 르샤틀리에 원리를 가지고 설명할 수 있지만, 다음에 자세히 다루도록 하겠습니다.
결론은, 발열반응은 열을 계속하여 제거해주어야 한다는 것입니다.
다음 반응으로는 첫 번째 반응에서 산화된 에틸렌을 물과 반응시켜 최종 제품인 에틸렌글리콜을 합성하는 것입니다.
아래 출처의 원문에 따르면,
Heat is evolved becuase of the phase change and dissolution, and also because of the hydration reaction.
Evolve의 뜻은 고등영어 과정까지 '진화하다'라는 뜻으로 사용하셨을 거예요. 수동은 진화시키다?로 사용된다면 열이 진화한다는 뜻을 가지고 있네요. 열이 진화한다? 무슨 말인지 모르겠습니다.
Evolve는 e-(ex-)라는 '바깥으로'의 의미와 volve라는 '말다, 접다'의 의미를 합쳐, '바깥으로 접는 = 펼치다'라는 의미로 사용되는 걸 알 수 있습니다. 즉 열이 바깥으로 조금씩 새어 나오는 상태를 나타내는 것이며, '열이 빠져나온다'로 해석할 수 있습니다. 무슨 말인가요? 발열반응입니다. 열역학에서 사용되는 유사어를 찾아보겠습니다.
The heat is evolved = generated = released means an exothermic reaction.
흡열반응은 어떻게 표현될까요? 흡수되다는 'absorb'를 그대로 사용하고 있습니다.
The heat is absorbed means an endothermic reaction.
원문의 문장을 열역학적으로 해석하자면, '상변화에 따라 열이 방출된다'입니다. 따라서, 이 상변화는 액화되는 과정을 예상할 수 있으며, '용해'를 의미하는 Dissolution이므로 물에 녹는 과정이며 이는 물분자에 의해 둘러싸이는 현상으로 이해해 주시면 됩니다. 산화 후 물과 반응하는 것은 hydraion 이 되겠네요.
이렇게 모든 공정설계는 열 효과에 따라 열이 흡수되거나 방출되면서 상변화를 일으키는 과정이라고 생각하면 좋겠습니다. 따라서 온도변화가 일어날 경우에는 헌열(Sensible Heat)을, 온도 변화 없이 상변화만 이러 날 경우에는 잠열(Latent Heat)을 기억해 주시면 좋겠습니다.
다시 말해, 열용량이란, 온도의 함수이며, 반응을 수반하는 공정이라면, 생성열, 연소열, 반응열에 대한 열 효과 역시 온도를 통해 계산할 수 있다는 것을 기억해 주시기 바랍니다.
오늘도 감사합니다.
다음시간에 뵙겠습니다.
출처:
Smith, J.M "Introduction to Chemical engineering Thermodynamics 7th Edition", McGraw Hill.
댓글