[공업열역학] 열역학 끝내기 - 26강 디젤사이클 12분 37초부분 (thermodynamics, diesel cycle, Otto cycle, internal combustion engine, closed system, open system, energy balance, heat exchange, pressure, enthalpy)

질문 요약

오토사이클과 디젤사이클을 설명할 때 실제 내연기관은 흡입 및 배기 과정을 가지지만, 단순화를 위해 이를 배제하고 밀폐계로 가정한다고 배웠습니다. 그래서 오토사이클의 정적가열 과정에서는 밀폐계의 열역학 제 1법칙을 이용하여 열량을 계산했습니다. 그러나 디젤사이클의 정압가열 과정에서는 개방계의 에너지 평형식을 이용했습니다. 밀폐계로 가정했는데 왜 개방계의 공식을 사용한 건가요?

답변 요약

정말 좋은 질문입니다. 결론부터 말하자면 dq = dh - vdp 공식은 개방계뿐만 아니라 밀폐계에서도 사용할 수 있는 열역학 제 1법칙 관련 공식입니다. 따라서 디젤 사이클의 경우 밀폐계로 정의된 상태에서도 열역학 제 1법칙을 만족할 수 있기 때문에 dq = du + pdv 또는 dq = dh - vdp 모두 사용할 수 있습니다. 왜 밀폐계에서도 dq = dh - vdp 를 사용할 수 있는지에 대한 자세한 내용은 아래 링크를 통해 추가로 공부해보시기 바랍니다. https://godjunpyo.com/밀폐계에서-엔탈피-식은-사용이-가능한가/

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열역학 끝내기 - 디젤사이클

이번 블로그에서는 디젤사이클을 중심으로 열역학 제 1법칙의 적용에 대해 알아보겠습니다. 특히 디젤사이클에서 밀폐계와 개방계의 차이와 왜 밀폐계에서도 개방계 공식을 사용할 수 있는지에 대해 심도 있게 다루겠습니다. 먼저 오토사이클과 디젤사이클의 기본 개념을 상기해보겠습니다.

오토사이클과 디젤사이클의 기본 개념

1. 오토사이클: 가솔린 엔진에서 사용되는 사이클로, 등적 가열과 등적 냉각 과정을 특징으로 합니다.
2. 디젤사이클: 디젤 엔진에서 사용되는 사이클로, 등압 가열 과정과 등적 냉각 과정을 특징으로 합니다.

오토사이클과 디젤사이클 모두 실내연기관의 작동 원리를 설명하는 데 사용됩니다. 하지만, 학습의 편의를 위해 흡입 및 배기 과정을 배제하고 밀폐계로 가정합니다.

밀폐계와 개방계의 열역학 제 1법칙

열역학 제 1법칙은 에너지의 보존 법칙으로, 밀폐계와 개방계에 모두 적용됩니다. 밀폐계에서의 열역학 제 1법칙은 다음과 같이 표현됩니다:

$$ dq = du + pdv $$

여기서 \(dq\)는 시스템에 주어지는 열, \(du\)는 내부 에너지의 변화, \(pdv\)는 일입니다. 반면 개방계에서는 다음과 같이 표현됩니다:

$$ dq = dh - vdp $$

여기서 \(dh\)는 엔탈피의 변화, \(vdp\)는 압력 변화에 따른 일입니다. 중요한 점은 이 두 식이 특정 조건에서 상호 변환 가능하다는 것입니다.

디젤사이클에서의 열역학 제 1법칙 적용

디젤사이클의 정압 가열 과정에서는 \(dq = dh - vdp\) 공식을 사용합니다. 이는 밀폐계에서도 사용할 수 있는 공식입니다. 그 이유는 다음과 같습니다:

1. 엔탈피는 내부 에너지와 PV 일을 포함하는 함수입니다. 즉, \(h = u + pv\)로 정의됩니다.
2. 정압(등압) 과정에서는 \(dp = 0\)이므로, \(dq = dh\)가 됩니다. 이때 \(h = u + pv\)이므로 \(dq = du + pdv\)가 됩니다.

따라서, 밀폐계에서도 \(dq = dh - vdp\)를 사용할 수 있습니다. 이는 밀폐계의 기본 가정에서 벗어나지 않으며, 열역학 제 1법칙을 만족합니다.

디젤사이클의 경우, 정압가열 과정에서 \(dq = dh - vdp\) 형태의 공식이 더 직관적이기 때문에 사용됩니다. 이는 엔탈피 변화가 직접적으로 열량 \(dq\)와 연결되기 때문입니다.

추가 학습 자료

밀폐계에서 엔탈피 식을 사용하는 이유와 더 자세한 내용은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다:

https://godjunpyo.com/밀폐계에서-엔탈피-식은-사용이-가능한가/

결론

결론적으로, 디젤사이클의 정압 가열 과정에서 밀폐계를 가정하더라도 \(dq = dh - vdp\) 공식을 사용할 수 있습니다. 이는 열역학 제 1법칙의 유연성 덕분입니다. 밀폐계와 개방계의 차이는 있지만, 특정 조건에서는 서로의 공식을 사용할 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

• 밀폐계에서도 \(dq = dh - vdp\) 공식은 사용 가능하다.
• 디젤사이클의 정압 가열 과정에서는 \(dq = dh\)로 표현할 수 있다.
• 열역학 제 1법칙은 에너지 보존 법칙으로, 밀폐계와 개방계 모두에 적용된다.

열역학의 원리를 이해하는 데 있어 이러한 공식을 유연하게 적용하는 것이 중요합니다. 앞으로 더 깊이 있는 학습을 통해 열역학의 다양한 응용을 이해하시길 바랍니다.

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