등엔탈피 과정
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1. 개요
등엔탈피 과정은 엔탈피의 변화가 없는 열역학적 과정을 의미한다. 정상 상태, 정상 유동 과정을 검사 체적을 사용하여 해석할 때, 주변으로 열 전달이 없고, 외부에서 일이 더해지지 않으며, 유체의 운동 에너지 변화가 없으면 등엔탈피 과정이 된다. 줄-톰슨 효과는 압력과 온도의 변화가 발생하지만 에너지 균형의 순합이 0이 되어 엔탈피가 변하지 않는 등엔탈피 과정의 예시이며, 이상 기체의 등엔탈피 과정은 등온선을 따른다. 한국의 에너지 정책에서도 에너지 효율 향상을 위해 등엔탈피 과정에 대한 이해가 중요하다.
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| 등엔탈피 과정 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 엔탈피 변화가 없는 열역학적 과정 |
| 관련 개념 | 줄-톰슨 효과 |
| 상세 정보 | |
| 설명 | 등엔탈피 과정은 일정한 엔탈피 상태를 유지하며, 이는 계의 압력과 부피가 동시에 변하는 동안 발생한다. 이 과정에서 계는 외부와 열을 교환할 수 있으며, 이상적인 상황에서는 가역적일 수 있지만, 실제로는 일반적으로 비가역적이다. |
| 특징 | 엔탈피 변화 ΔH = 0 열역학적 과정의 종류 일정 엔탈피 유지 |
| 활용 | 줄-톰슨 효과를 이용한 기체 액화 열역학 시스템 분석 |
| 이상 기체 | 이상 기체의 경우, 등엔탈피 과정은 등온 과정과 동일하다. |
| 실제 기체 | 실제 기체의 경우, 온도 변화가 발생할 수 있으며, 이는 줄-톰슨 효과로 설명된다. |
| 예시 | 밸브를 통한 유체의 흐름 (교축 과정) 다공성 플러그를 통한 흐름 |
| 수학적 표현 | |
| 엔탈피 변화 | ΔH = 0 |
| 미분 형태 | dH = 0 |
| 줄-톰슨 계수 | 'μ JT = ( ∂ T / ∂ P ) H' |
| 참고 | |
| 주의사항 | 등엔탈피 과정은 단열 과정과 혼동될 수 있으나, 단열 과정은 열 교환이 없는 과정이며, 등엔탈피 과정은 엔탈피가 일정한 과정이다. |
2. 등엔탈피 과정의 정의 및 조건
등엔탈피 과정은 계의 엔탈피가 일정하게 유지되는 과정을 말한다.
정상 상태, 정상 유동 공정이 제어 체적을 사용하여 분석될 때, 제어 체적 외부의 모든 것은 ''주변''으로 간주된다. 이러한 과정에서 엔탈피 변화는 다음과 같이 표현될 수 있다.
:
:
:
만약 이면, 다음이 성립해야 한다.
:
등엔탈피 과정에서:
- .
이상 기체에 대한 등엔탈피 과정은 등온선을 따른다.
2. 1. 등엔탈피 과정의 충분 조건
검사체적을 사용하여 정상상태, 정상유동 과정을 해석하면 검사체적 외부의 모든 것은 ''주변''으로 간주된다.[2] 이러한 과정은 주변으로 열이 전달되지 않고, 주변에서 더해지는 일이 없고, 유체의 운동 에너지에 변화가 없다면 등엔탈피 과정이 된다.[3] 이는 등엔탈피의 충분조건이지만 필요조건은 아니다. 등엔탈피 과정이 되기 위한 필요 조건은 엔탈피 이외의 에너지 균형의 각 항(일, 열, 운동에너지 변화 등)의 합이 서로 상쇄되어 엔탈피가 변하지 않는 것이다.교축팽창은 압력과 온도의 상당한 변화가 유체에 발생할 수 있지만 에너지 균형의 관련 항의 순합이 0이 되는 등엔탈피 과정의 좋은 예다. 압력 용기의 릴리프 밸브를 들어올리는 것은 교축 과정의 예다. 압력 용기 내부의 유체의 비엔탈피는 유체가 밸브를 통해 빠져나갈 때의 유체의 비엔탈피와 동일하다.[3] 유체의 비 엔탈피와 압력 용기 외부의 압력에 대한 지식을 통해 빠져나가는 유체의 온도와 속도를 결정할 수 있다.
이상기체의 등엔탈피 과정은 등온선을 따른다.
2. 2. 등엔탈피 과정의 필요 조건
정상 상태, 정상 유동 과정을 검사체적을 사용하여 해석하면 검사 체적 외부의 모든 것은 ''주변''으로 간주된다. 이러한 과정은 주변으로 열이 전달되지 않고, 주변에서 더해지는 일이 없고, 유체의 운동 에너지에 변화가 없다면 등엔탈피 과정이 된다.[3] 이는 등엔탈피의 충분조건이지만 필요조건은 아니다. 등엔탈피 과정이 되기 위한 필요 조건은 엔탈피 이외의 에너지 균형의 각 항(일, 열, 운동 에너지 변화 등)의 합이 서로 상쇄되어 엔탈피가 변하지 않는 것이다.교축 팽창은 압력과 온도의 상당한 변화가 유체에 발생할 수 있지만, 에너지 균형의 관련 항의 순합이 0이 되는 등엔탈피 과정의 좋은 예다.
3. 등엔탈피 과정의 예시: 줄-톰슨 효과
교축 팽창은 유체의 압력과 온도가 크게 변할 수 있지만, 에너지 균형 관련 항들의 총합이 0이 되어 등엔탈피 과정이 된다는 점에서 좋은 예시이다. 압력 용기의 릴리프 밸브를 들어 올리는 것은 이러한 교축 과정의 한 예이다. 이때, 압력 용기 내부 유체의 비엔탈피는 밸브를 통해 빠져나가는 유체의 비엔탈피와 같다.[3]
3. 1. 줄-톰슨 효과의 정의
교축팽창은 유체의 압력과 온도가 크게 변하지만, 에너지 균형 관련 항들의 총합이 0이 되어 등엔탈피 과정의 좋은 예시이다.[1] 압력 용기의 릴리프 밸브를 들어올리는 것은 교축 과정의 예시이다.[1] 압력 용기 내부 유체의 비엔탈피는 밸브를 통해 빠져나갈 때의 유체의 비엔탈피와 동일하다.[1] 유체의 비엔탈피와 압력 용기 외부 압력에 대한 지식을 통해 빠져나가는 유체의 온도와 속도를 결정할 수 있다.[1]이상기체의 등엔탈피 과정은 등온선을 따른다.[1]
3. 2. 줄-톰슨 효과의 활용: 릴리프 밸브
교축 팽창은 유체의 압력과 온도가 크게 변할 수 있지만, 에너지 균형 관련 항들의 총합이 0이 되어 등엔탈피 과정이 되는 대표적인 예시이다. 압력 용기의 릴리프 밸브를 들어 올리는 것은 교축 과정의 한 예이다. 압력 용기 내부 유체의 비엔탈피는 유체가 밸브를 통해 빠져나갈 때의 비엔탈피와 같다.[3] 유체의 비 엔탈피와 압력 용기 외부 압력을 알면, 유출되는 유체의 온도와 속도를 결정할 수 있다.4. 이상 기체의 등엔탈피 과정
이상기체의 등엔탈피 과정은 등온선을 따른다. 이상 기체의 경우, 엔탈피 변화는 온도 변화에만 비례하므로 ($dh = n c_p \,dT$), 등엔탈피 과정에서는 온도 변화가 없다.[3]
참조
[1]
서적
Atkin's Physical Chemistry
Oxford University Press
2006
[2]
서적
Fundamentals of Classical Thermodynamics
[3]
서적
Fundamentals of Classical Thermodynamics
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