주남식사이클과 카르노사이클

[주남식]

신효섭님을 위해서라면 두 사이클의 차이를 설명하지 않아도 될 것 같습니다만

다른 분들을 위해서 간단한 설명을 붙입니다.

주남식사이클에서

1과 2사이의 등압팽창은 동작유체가 열원으로부터 열(Qin)을 받아들이면서 동작유체의 체적이 늘어나면서 분자운동속력이 빨라지는 과정입니다. 이때 액체였던 동작유체는 기화하기도 합니다.

2와 3사이의 단열팽창은 동작유체의 분자가 터빈과 충돌하면서 자신의 에너지를 터빈에 전달하여 일(Wout)을 생산하는 과정입니다. 일을 하면서 에너지를 잃은 분자들은 속력이 떨어지고 그 결과로 온도가 낮아지며 액화하기도 합니다.

3과 1사이의 단열압축과정은 단열팽창과정에서 생산된 일의 일부(Win)를 사용하여 팽창전의 압력으로 재압축하는 과정입니다.

한 사이클동안 엔진 외부로 출력할 수 있는 일(Wnet)의 크기는 Wout - Win 이며 그 값은 외부에서 받아들인 열에너지인 Qin과 같습니다.

Wnet = Wout - Win = Qin

이해하시기 어려운 부분이나 주남식사이클이 틀렸다고 생각되시는 부분은 다시 질문해 주시기 바랍니다.

주남식사이클.JPG (20.33 KB)

 

카르노사이클.JPG (23.06 KB)

카르노 사이클 (Carnot cycle)

http://www.peaceone.net/basic/thermo/00500%20carnot%20cycle.html

마지막 글입니다.
번호: 1	글쓴이: bluebirch	조회: 37	날짜: 2005/02/19 00:13

카르노 기관에는 열원이 두가지 있습니다.
고온의 열원과 저온의 열원입니다. 그리고 이 열원은 그에 해당하는 열을 열기관에 전달할 수
있습니다.

1>등온팽창과정에서 기관은 열원으로부터 일을 얻습니다.
2>그리고 단열팽창을 하게 되는데 이 과정에서도 계속 외부에 일을 하면서 온도는 내려갑니다.
3>온도가 더 내려가게 내버려 두지 말고 임의의 저온열원에 열기관을 갖다놓고 등온압축하면서
저온열원에 에너지를 방출합니다. 이때는 외부로부터 일을 받습니다.
4>단열 압축으로 열기관은 열기관의 처음 상태로 돌아갑니다.

카르노 행정은 준정적으로 일어나고 자유팽창이나 열전도, 열복사, 마찰 등의 형태로 쓸 수
없는 열로 없어져 버리는 일이 없습니다. 그래서 이상적인 카르노 기관보다 더 큰 일을 외부에 얻어낼 수없습니다.

단일열원 열기관이 불가능한 이유:

단일열원기관은 위에 설명된 단계에서 2>까지만 가능합니다. 

사실 실제 난로 위에다 손바닥 만한 피스톤을 갖다 놓으면 식으면서 일을 합니다.

그리고 식은 후 다시 난로 위에 갖다 놓으면 에너지를 얻고 다시 식으면서 외부에 일을

하게 만들 수 있습니다. 사실 이 과정은 단일열원 기관이 아닙니다. 왜냐면 이미 식으면서

외부에 에너지를 주게 되므로 저온열원이 있는것이 되니말입니다. 
그러므로 이런 외부에 열을 주게 되는 과정이 없으면 외부에 일정량의 일을 하게 되지만, 이 경우 외부에서 더 그에 상응하는 일을 해주지 않으면 원래상태로 돌아올 수 없어 원래 상태로 돌아오게 되면 총일이 0(또느 그이상)이 됩니다. 더 이상 일을 할 수 없으므로, 열기관으로 성립할 수 없습니다.
한가지 코멘트를 달자면,  열기관에서 1>과정에서 엔트로피(delQ1/T1)는 증가합니다. 그런데 왜 카르노기관을 가역과정이라 부를까요? 그것은 저온의 열원을 이용한 3>을 통해 같은 양의 엔트로피(delQ2/T2)를 감소시키기 때문입니다.
어떤 열기관이든 기 열기관의 싸이클이 끝났을때 엔트로피 총 변화로 주어진 열기관이 가역기관인지 아닌지 판단내립니다.

또한 카르노기관은 pv 다이어그램에서 4>를 통해 첨 상태로 돌아갔다는것 자체가 가역성을 설명해
줍니다. 엔트로피는 상태함수기 때문입니다.

공기엔진에서 각 상태를 검토해 봅시다.

공기엔진의 핵심이유는 거칠게 말해 2>단계에서 공기가 액화되면서 카르노기관보다 훨씬 큰 에너지를 얻고 일로 바꾼다는 것입니다. 이때 Q1의
에너지를 공기(열원)로 부터 얻는다면 그보다 약간 작은 W1(<Q1)의 일을 외부에 하게 됩니다.
이 과정은 비가역적(액화로인함)입니다. 즉 열원의 에너지에 의해 어떤 형식으로든 이 비가역성을 넘어서는 에너지를 못 받는다면 엔진은 원래 단계로 돌아갈 수 없습니다.
훨씬 큰 에너지를 공기가 잃은 것에 대한 보상이 주어져야합니다. (외부공기를 흡입하던 기존의 공기를 데우던 물리적으로 다를 바 없는 상황입니다)
 

즉 기체가 에너지를 얻어 원래 상태로 돌아가려면 Q1의 에너지를 얻어야 원래 상태로 돌아갈 수 있습니다.

즉 열원에 의한 지속적인 에너지 투입이 있어야 한다는 말입니다. 이때 일로 쓰인
에너지도 언젠가는 기체를 데우는데 쓰이게 됩니다. 하지만 누구나 예상할 수 있듯이 모든
에너지가 기체를 데우는데 쓰일 수 없고 우주 공간으로 날아갑니다.

결국 공기엔진은 지열이나 태양 에너지...어떤 형식으로든 외부의 열원을 필요로합니다.
하지만 그 열원은 무한하지 않기 때문에   그 에너지를 우주에 대부분 전자기적 형식으로
배출하게 됩니다. 이런 과정은 계속 일어나고 결국 우주는 열적평형상태(열적 죽음)에 이르게 됩니다.

이 과정을 단순화시켜 이해하기 쉽게 설명해 보겠습니다.
즉 유한하지만 큰 스케일의 물리량들을 아주 작은 양으로 바꿔 상황이 어떻게 일어나는지
보는 겁니다. 열원은 태양이라고 합시다.

우주의 크기-->태양계 크기
수많은 별들-->태양과 지구만 존재
태양의 총 에너지-->10J
태양의 수명 -->1초이고 10줄 모두 지구의 공기를 데우는데 쓰고 사라짐
지구의 태초 에너지-->0J
지구의 공기양-->2MOLE
공기 1몰 기화에 필요한 에너지 -->5j
공기엔진이 한번에 쓰는 공기양---> 1mole
1싸이클동안 걸리는 시간 -->1초

싸이클> 태초에 지구에 있던 0도의 물은 태양이 반짝하면서 1초만에 2몰이 기화되고
 1몰이실린더 안에 바로 들어옵니다.
그리고 5줄의 에너지가 모두 액화되면서 4가 일로 쓰이고 1은 우주공간으로 날아갑니다.
그리고 다음 1초후에 1몰이 실린더 안에 들어오고 1초만에 4를 일로 바꾸고 1은 우주 공간으로날려 보냅니다. 이제 태양은 죽었고 우주의 총에너지인 10줄 중에 8줄은 일로 바뀌어 무언가를 했고, 2줄은 우주 공간에 골고루 퍼집니다. 그리고 나머지 8줄도 나중에 모두 열로 바뀌어 우주로날아갑니다. 이 8은 공기에너지를 원래데로 돌려놓을 수 없으므로 공기엔진을 계속 가동시켜도 얼마 안 가 작동을 멈추게 됩니다.

우주의 총에너지는 여전히 10이군요. 그런데 공기엔진이 계속 돌아가려면 이 10줄의 에너지가 액화된 공기를 기화시키는데 모두 쓰여야 합니다. 이게 가능함을 보이면 엔트로피의 감소를 보인겁니다.

실제 우주가 열평형 상태에 이르면(우주가 더 팽창하지 않는다고 가정하면)대략 3K(보다는 좀 높게 되겠지만)의 극저온 상태가 됩니다. 아주 균일한 3K 온도에서는 만일 공기엔진이 작동한다면 열역학2법칙도 문제가 발견되는 것이고, (이론적으로)영구기관이 탄생하게 된 겁니다. 여기서이론적이라고 말한 이유는 공기엔진 자체가 사용되다보면 낡아 못쓰게 되기에 실제 영구기관일 순없기 때문입니다.

지금까지의 논리를 이해못하면 다음 논쟁으로 넘어갈 수 없습니다.
답글 절대 달지 마십시오. 주남식님과의 논쟁은 직접만나서 하거나 전화로 하거나...채팅으로
할 것입니다. 주남식님은 제대로 논리적으로 정리된 글을 쓰지 못하시기 때문입니다. 최소한 시도조차 하지 않기 때문입니다. 더 이상 이런 글 쓰는데 시간낭비 안하고 싶습니다.

	성은]Calculus[	하하...첫글이 아닌지요...^^;;	[2005/02/19]
	성은]Calculus[	하하...죄송합니다...ㅜㅜ;;(혼자 북치고 장구치고하는...;;) 앞으론 꼬리말 이더라도 좀더 신중히 올릴께요...^^;;(본보기로 안지우겠습니다.)	[01:41]