Intro
안녕하세요, 제하공제입니다.
지난주 대학교 강의가 있어 오랜만에 캠퍼스를 다녀왔습니다. 따뜻한 날씨만큼이나 열정적인 대학생들을 만나, 다양한 질문과 답변을 나누다 보니, 텐션도 오르고 스스로도 동기 부여를 받게 되는 시간이었습니다. (그들의 가능성이 부럽습니다..)
누구보다 공학이론을 가장 가까이에서 공부하고 있는 학부, 대학원생들이지만, 소프트웨어 시뮬레이션 활용법에 대해서는 많은 경험이 없었습니다. 당연하겠지요. 그러나, 확실히 강의를 듣고 난 후 공정 구축 실습을 진행하면 이해하는 속도와 응용하는 정도가 다르다는 걸 알 수 있었습니다.
경력이 아무리 오래되었어도, 공정설계 경력이 없으시거나, 생산/기본 설계에서 배치/견적 업무를 해오신 분들이라면 공정 기초 이론이 잘 기억나시지 않을 것 같습니다. 시뮬레이션 강의에도 이런 부분들은 포함되어 않아, 실제 기업 강의를 나가보면 대학교 강의와 달리 이해와 응용속도가 느린 것도 사실입니다.
제가 블로그를 시작하게 된 이유이기도 합니다. 이 블로그를 통해 공학이론을 깊이 있게 다루지 못할지라도, 시뮬레이션의 계산 구조와 논리, 결과에 대한 적절한 예측 기준정도를 알고 싶으신 분들께 도움이 되길 바라는 마음입니다.
그렇기 때문에 피곤한 하루의 끝에서 오늘도 글을 이어가 보도록 하겠습니다.
열역학 2법칙
앞 선 포스팅에서 정리한 열역학 1법칙은 에너지 보존에 대해 다루었습니다. 그러나, 에너지가 어느 방향으로 흘러갈 것인지 에너지의 이동 방향성은 제시되지 않았다는 것을 생각해봐야 합니다. 우리는 얼음이 녹고, 뜨거운 커피가 식는 등 다양한 열의 이동을 일상에서 쉽게 확인할 수 있습니다. 따라서, 이러한 열의 이동을 이해하기 위해, 열역학 2 법칙을 아래와 같이 정의하였습니다.
열역학 2법칙은 '엔트로피'라는 새로운 열역학 물성값을 정의하여 에너지 변환에는 방향이 있고, 총합이 보존되더라도 사용 가능한 에너지는 감소하는 방향으로 진행됨(엔트로피가 증가하는 방향)을 나타냅니다. 열역학 2법칙의 정의는 크게 아래의 두 가지로 설명할 수 있습니다.
- 클라우지우스: No process is possible which consist solely in the transfer of that T level to a high one.
- 켈빈-플랑크: No apparatus can operate in such a way that its only effect(in system and surroundings) is to convert heat absorbed by a system completely into work done by the system.
먼저, 켈빈-플랑크의 진술에 따라, 투입된 열에너지가 모두 일로 전환되는 100% 열기관은 존재하지 않기 때문에 열기관의 운전 효율을 아는 것은 열역학 2법칙의 주요한 정량적 관심사가 될 수 있습니다.
앞서 잠시 설명되었던 Carnot Cycle은 이론적으로 최고의 효율을 가지는 열기관으로, 열기관 효율의 척도가 되는 이상적 가역 열기관이다. 아래 그림과 같이, 투입된 고온의 열(QH) 에너지는 일정 효율을 가지고 일(W) 에너지로 전환되며, 잔여 저온 열(QL)은 외부로 방출되어야만 합니다.
즉, 외부로의 열 방출 없이 고온의 열이 모두 일로 전환되는 100% 열기관은 존재하지 않으며, 언제나 열 손실이 발생한다는 뜻입니다. 따라서 열기관의 효율은 투입된 열(QH) 에너지와 생성된 일(W) 에너지의 비로 나타낼 수가 있으며, 실제 시뮬레이션을 진행할 경우 Compressor와 Pump를 계산하기 위해 반드시 입력되어야 하는 변수 중 하나입니다.
따라서 우리는 이론적으로 최고의 효율을 갖는 Carnot Cycle로 부터 실제 이론 효율을 계산할 수 있습니다. 아래와 같이 Carnot Cycle을 구성하는 등온공정과 단열공정을 Ep07. 공정계산방정식으로 전개하면 아래와 같이 열과 온도의 상관관계로 정의할 수 있습니다. 즉, 가장 이상적인 열기관의 최대 열효율은 입/출력된 열의 비를 고온/저온 열 저장고의 온도 비로 나타낼 수 있으며, 이를 Carnot Equation이라 정의하였습니다.
이렇게 정의된 Carnot Equation은 Cycle을 통해 들어오고 나간 열과 고온/저온 열저장고 온도 간의 일정한 상관관계를 나타내며, 이를 열역학적으로 엔트로피(S)라는 새로운 물성값으로 정의하였다는 것을 이해해야 합니다.
글이 길어지는 관계로, 이번 포스팅에서는 엔트로피에 대한 정의를 이해하는 것으로 하겠습니다.
다음 포스팅에서 엔트로피를 통해 공정의 에너지 방향을 예측하는 논리에 대해 정리하고, 세기 성질인 엔트로피가 흐름 공정 내 장치의 압력, 온도의 열역학적 물성 계산의 중요한 단서임을 추가 예제문제를 풀어보며 확인해 보도록 하겠습니다.
다음 포스팅에서 뵙겠습니다.
감사합니다.
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