열기관

1. 개요

열기관은 고대부터 사용되었으며, 18세기 산업 혁명 이후 유용한 기계로 발전했다. 열역학 법칙에 따라 작동하며, 고온 열원에서 열을 받아 일로 변환하고, 나머지는 저온 열원으로 방출한다. 작동 유체와 사이클에 따라 증기 동력, 가스 동력, 내연기관, 직접 변환 방식으로 분류된다. 열기관의 효율은 열역학 제2법칙에 의해 제한되며, 카르노 효율이 이론적인 최대 효율을 나타낸다.

열기관은 증기기관, 디젤 엔진, 가솔린 기관 등 일상생활에서 다양한 형태로 사용되며, 화력 발전소, 자동차, 선박, 항공기 등 수송 및 발전 분야에 널리 활용된다. 또한 냉장고, 에어컨, 열펌프와 같이 역방향으로 작동하는 열기관도 존재한다.

2. 역사

열기관은 고대부터 알려져 왔지만, 18세기 산업혁명 시대에 이르러서야 유용한 기계로 만들어졌다. 증기 기관의 발명은 산업 혁명의 핵심 동력원이었으며, 이후 내연기관, 가스터빈 등 다양한 형태의 열기관이 개발되어 현대 문명을 이끌어왔다.

2.1. 증기기관의 발명과 발전

열기관은 고대부터 알려져 왔지만, 18세기 산업혁명 시대에 이르러서야 유용한 기계로 만들어졌다. 오늘날에도 계속해서 개발되고 있다.

2.2. 내연기관의 등장

19세기 후반, 내연기관이 발명되면서 자동차, 항공기 등 새로운 운송 수단의 발전을 이끌었다.

2.3. 가스터빈과 제트 엔진

20세기에는 가스터빈과 제트 엔진이 등장하여 항공기 기술 발전에 크게 기여했다.

3. 열역학적 원리

열기관은 열역학 법칙에 따라 작동하며, 고온의 열원에서 열을 받아 일부를 일로 변환하고 나머지는 저온의 열원으로 방출한다.

일반적으로 고온부와 저온부 사이의 온도 차이가 클수록 사이클의 잠재적인 열효율이 커진다. 지구에서 모든 열기관의 저온부는 주변 환경의 온도(약 300켈빈)에 가깝기 때문에, 열역학적 효율을 개선하기 위한 노력은 주로 고온부의 온도를 높이는 데 집중된다. 열기관의 최대 이론 효율은 고온부와 저온부 사이의 온도 차이를 고온부의 온도로 나눈 값과 같으며, 각각 절대 온도로 표현된다.

오늘날 제안되거나 사용되는 다양한 열기관의 효율은 매우 다양하다.

3.1. 열역학 제1법칙

열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙을 열역학적 과정에 적용한 것입니다. 열기관에 적용하면, 한 사이클 동안 열기관이 흡수한 열에너지($Q\_h$)는 열기관이 한 일($W$)과 외부로 방출한 열($Q\_c$)의 합과 같습니다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같습니다.

:$W\; =\; -Q\; =\; -\; (Q\_c\; +\; Q\_h)$

여기서,

* $W\; =\; -\backslash oint\; PdV$는 한 사이클에서 열기관이 한 순일입니다. (IUPAC 규칙에 따라, 기관 에 의해 수행된 일이므로 음수입니다.)
* $Q\_h\; >\; 0$는 고온 열원에서 흡수된 열에너지입니다. (열에너지가 기관에 추가되므로 양수입니다.)
* 는 저온 열원으로 방출된 열에너지입니다. (열이 기관에서 손실되므로 음수입니다.)

즉, 열기관은 고온 열원에서 열에너지를 흡수하여 일부를 유용한 일로 변환하고, 나머지는 저온 열원으로 방출합니다.

3.2. 열역학 제2법칙

열역학 법칙에 따르면, 열기관의 효율은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:$\backslash eta\; =\; \backslash frac$

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📌 열 고정 해제

{Q_h} = \frac{Q_h + Q_c}{Q_h} = 1 + \frac{Q_c}{Q_h} = 1 - \frac

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📌 열 고정 해제

{Q_h}

여기서
* $W\; =\; -\backslash oint\; PdV$는 한 사이클에서 열기관에서 추출되는 순일 (IUPAC 규칙에 따라, 일은 기관 에 의해 수행되므로 음수)
* $Q\_h\; >\; 0$는 한 사이클에서 주변의 고온 열원에서 흡수되는 열에너지 (열에너지가 기관에 추가되므로 양수)
* 는 기관이 저온 열 싱크에 방출하는 폐열 (열이 기관에서 싱크로 손실되므로 음수)

즉, 열기관은 고온 열원에서 열에너지를 흡수하여 그 일부를 유용한 일로 변환하고 나머지는 저온 열 싱크에 폐열로 방출한다.

일반적인 기관의 효율은 "빼내는 것"과 "넣는 것"의 비율로 정의된다. 기관의 경우, 연료의 연소에서 열 $Q\_h$를 넣어 일을 추출하고자 하므로 위와 같이 효율을 정의하는 것이 합리적이다.

여기서, 필요한 저온 압축 전의 동력 행정이 다시 발생하기 전에 저온에서 필요한 재압축(및 이에 상응하는 압축 작업) 중에 불가피하게 저온 싱크로 손실되는 폐열 때문에 효율은 1 (100%) 보다 작다.

열기관의 이론적 최대 효율은 작동하는 온도에만 의존하며, 카르노 열기관과 같은 이상적인 가상 열기관을 사용하여 유도되지만, 다른 사이클을 사용하는 다른 기관도 최대 효율을 달성할 수 있다.

열역학 제 2법칙에 의해서 수학적으로, 전체 사이클 후에 엔트로피의 전체 변화는 0 이므로,

:$\backslash \; \backslash \; \backslash \; \backslash Delta\; S\_h\; +\; \backslash Delta\; S\_c\; =\; \backslash Delta\_\{cycle\}\; S\; =\; 0$

$\backslash Delta\; S\_h$는 양수이다. 왜냐하면 동력 행정에서 등온 팽창은 작동 유체의 다양성을 증가시키는 반면, $\backslash Delta\; S\_c$는 재압축으로 다양성이 감소하므로 음수이다. 기관이 이상적이고 가역적으로 작동하는 경우, $Q\_h\; =\; T\_h\backslash Delta\; S\_h$이고 $Q\_c\; =\; T\_c\backslash Delta\; S\_c$이므로,

:$Q\_h\; /\; T\_h\; +\; Q\_c\; /\; T\_c\; =\; 0$

이는 $Q\_c\; /Q\_h\; =\; -T\_c\; /\; T\_h$를 제공하며, 따라서 열기관 효율에 대한 카르노 한계는 다음과 같다.

:$\backslash eta\_\backslash text\{max\}\; =\; 1\; -\; \backslash frac\{T\_c\}\{T\_h\}$

여기서 $T\_h$는 고온원의 절대 온도이고 $T\_c$는 저온 싱크의 절대 온도이며, 일반적으로 켈빈 단위로 측정된다.

이것이 최대 효율인 이유는 다음과 같다. 만약 카르노 기관보다 더 효율적인 열기관이 가능하다고 가정하면, 열펌프로 역으로 작동시킬 수 있다. 수학적 분석을 사용하여 이 가정된 조합이 엔트로피의 순 감소를 초래함을 보일 수 있다. 열역학 제2법칙에 따라 이것은 제외될 정도로 통계적으로 불가능하기 때문에, 카르노 효율은 모든 열역학적 사이클의 신뢰할 수 있는 효율에 대한 이론적 상한선이다.

경험적으로, 카르노 사이클 열기관보다 더 높은 효율로 작동하는 열기관은 아직까지 나타나지 않았다.

3.3. 카르노 사이클

카르노 열기관에서 사용되는 이상적인 열기관의 작동 사이클이다. 카르노 사이클은 주어진 열에너지 입력량에 대해 얼마나 많은 유용한 일이 출력되는지를 나타내는 효율이 이론적 최대 효율을 달성할 수 있다. 이 효율은 작동하는 온도에만 의존하며, 카르노 열기관과 같은 이상적인 가상 열기관을 사용하여 유도되지만, 다른 사이클을 사용하는 다른 기관도 최대 효율을 달성할 수 있다.

수학적으로, 전체 사이클 후 엔트로피의 전체 변화는 0이다.

:$\backslash Delta\; S\_h\; +\; \backslash Delta\; S\_c\; =\; \backslash Delta\_\{cycle\}\; S\; =\; 0$

$\backslash Delta\; S\_h$는 양수이고, $\backslash Delta\; S\_c$는 음수이다. 기관이 이상적이고 가역적으로 작동하는 경우, $Q\_h\; =\; T\_h\backslash Delta\; S\_h$이고 $Q\_c\; =\; T\_c\backslash Delta\; S\_c$이므로,

:$Q\_h\; /\; T\_h\; +\; Q\_c\; /\; T\_c\; =\; 0$

이는 $Q\_c\; /Q\_h\; =\; -T\_c\; /\; T\_h$를 제공하며, 따라서 열기관 효율에 대한 카르노 한계는 다음과 같다.

:$\backslash eta\_\backslash text\{max\}\; =\; 1\; -\; \backslash frac\{T\_c\}\{T\_h\}$

여기서 $T\_h$는 고온원의 절대 온도이고 $T\_c$는 저온 싱크의 절대 온도이며, 일반적으로 켈빈 단위로 측정된다.

카르노 기관보다 더 효율적인 열기관이 가능하다고 가정하면, 열펌프로 역으로 작동시킬 수 있다. 수학적 분석을 사용하여 이 가정된 조합이 엔트로피의 순 감소를 초래함을 보일 수 있다. 열역학 제2법칙에 따라 이것은 제외될 정도로 통계적으로 불가능하기 때문에, 카르노 효율은 모든 열역학적 사이클의 신뢰할 수 있는 효율에 대한 이론적 상한선이다.

경험적으로, 카르노 사이클 열기관보다 더 높은 효율로 작동하는 열기관은 아직까지 나타나지 않았다.

4. 열기관의 종류

열기관은 가열된 가스의 팽창을 이용하여 동력을 얻는 기관이다. 증기기관, 디젤 엔진, 가솔린 기관 등이 그 예이다. 주위 환경은 저열원 역할을 하며, 상대적으로 차가운 공기를 공급하여 열을 받아 급속히 팽창시켜 엔진의 기계적 움직임을 제공한다.

열기관은 작동 유체의 상태에 따라 증기 동력 사이클과 가스 동력 사이클로, 연소 방식에 따라 내연기관과 외연기관으로 나눌 수 있다.

* [[증기 동력 사이클]]: 작동 유체가 가스와 액체 상태를 오가는 사이클이다. 랭킨 사이클(증기기관)과 재생 사이클이 여기에 해당된다.
* [[가스 동력 사이클]]: 작동 유체가 항상 가스 상태인 사이클이다. 카르노 사이클(카르노 열기관), 브레이턴 사이클(가스터빈), 에릭슨 사이클, 스털링 사이클(스털링 기관) 등이 있다.
* [[내연기관]]: 오토 사이클(가솔린 기관, 고속 디젤엔진), 디젤 사이클(저속 디젤엔진), 아킨슨 사이클, 르노와르 사이클(펄스 제트기관) 등이 있다.

이 외에도 열전기를 이용하는 열전기, 열전자효과(에디슨 효과)와 같이 직접 변환 방식, 그리고 냉동기 (카르노 냉동기, Vuilleumier 냉동기, 흡수 냉동기)도 열기관의 범주로 볼 수 있다.

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📌 열 고정 해제

열기관의 특징과 주요 용도

구조	연소	동력 변환	명칭	이론 사이클	속도	토크	출력 제어	속도 제어	시동 시간	효율	작동 원리	특징	주요 용도
외연기관	연속	용적형	증기기관	랭킨	저	고	적절	적절		불량	외부에서 발생시킨 고온의 증기를 실린더에 주입하여 피스톤을 왕복 운동시킨다	시동 시 토크가 크다	증기기관차
			스터링 엔진	스터링(커크), 빌마이어, 기포드맥머혼	저	고	적절	적절	중	최고	두 개의 실린더 내 작동 기체를 외부 열원으로 교대로 가열·냉각함으로써 차등적으로 피스톤을 왕복 운동시킨다	이론적으로는 카르노 사이클과 같은 열효율	실용화를 향해 연구 단계
		속도형	증기터빈	랭킨, 재열·재생	고	저	적절	부적절	장	중	외부에서 발생시킨 고온의 증기를 터빈 날개에 분사한다		화력발전
내연기관	간헐	용적형	점화점화(SI) 기관	오토, 밀러 사이클	중	중	적절	적절	중	중	연료와 공기의 혼합기를 실린더 내에서 압축한 후 플러그로 점화, 연소·팽창시킨다	스로틀로 공기와 연료 혼합기의 양을 제한함으로써 출력을 제어한다	자동차
			고속 디젤(압축착화) 기관	사바테 사이클	저	고	적절	적절	중	양호	공기를 압축한 실린더 내에 연료를 분사하여 연소·팽창시킨다	스로틀이 필요 없으므로 열효율이 좋은 반면, 공기와 연료의 혼합이 어렵고 배기가 더러워지기 쉽다	화물자동차, 디젤 기관차, 기관차
			저속 디젤(압축착화) 기관	디젤 사이클									선박
	연속	속도형	가스터빈 기관	브레이턴 사이클	고	저	적절	부적절	중	중	압축기로 공기를 압축한 곳에 연료를 분사하여 연소시킨 고온 기체를 터빈(날개)에 분사하여 직접 회전 운동을 얻는다	체적·질량 당 출력이 크다	제트 엔진

4.1. 작동 방식에 따른 분류

열기관은 작동 유체의 가열 및 냉각, 압축 및 팽창, 또는 상 변화를 이용하여 열에너지를 기계적인 일로 변환하는 장치이다. 작동 방식에 따라 다양한 종류로 분류할 수 있다.

열기관의 일상 예로는 증기기관, 디젤 엔진, 가솔린 기관 등이 있다. 이 모든 열기관은 가열된 가스의 팽창에 의해 힘을 얻는다. 주위 환경은 저열원이며 상대적으로 차가운 공기를 공급하는데, 이는 열을 받아서 급속히 팽창하고 엔진의 기계적 움직임을 제공한다.

열기관은 크게 작동 유체가 항상 기체 상태인 가스 동력 사이클과 작동 유체가 기체와 액체 상태를 오가는 증기 동력 사이클로 나눌 수 있다. 또한, 연소 과정이 기관 내부에서 일어나는 내연기관과 외부에서 일어나는 외연기관으로 구분할 수 있다.

* 증기 동력 사이클
* 랭킨 사이클 (증기기관)
* 재생 사이클 (랭킨 사이클보다 효율적)

* 가스 동력 사이클
* 카르노 사이클 (카르노 열기관)
* 브레이턴 사이클 혹은 줄 사이클 (가스터빈)
* 에릭슨 사이클
* 스털링 사이클 (스털링 기관)
* 내연기관
* 오토 사이클 (예: 가솔린 기관, 고속 디젤엔진)
* 디젤 사이클 (예: 저속 디젤엔진)
* 아킨슨 사이클
* 르노와르 사이클 (예: 펄스 제트기관)

* 직접 변환
* 열전기 (펠티에르-시벡 효과)
* 열전자효과(에디슨 효과)

* 냉동 (냉동기는 열펌프의 일종으로, 열기관과 반대 방향으로 작동하여 열의 차이를 만들어낸다)
* 카르노 냉동기
* Vuilleumier 냉동기
* 흡수 냉동기

일반적으로 열기관은 기체 법칙에 따른 기체의 팽창 및 압축, 또는 기체와 액체 상태 간의 상 변화와 관련된 특성을 이용한다.

외연기관은 열교환기를 통해 열원의 열을 작동 가스(작동 기체)에 전달하고, 이 작동 가스가 피스톤을 밀거나 터빈을 회전시키는 등의 일을 한다. 작동 유체와 열원·연료가 분리되어 있어 연료 선택의 자유도가 높다. (예: 액체(중유), 고체(석탄, 땔나무), 원자력, 태양열, 폐열 등)

작동 가스의 에너지를 일로 변환하는 방식에 따라, 가스의 유속을 이용하는 경우를 속도형(제트, 가스터빈, 증기터빈 등), 체적 변화를 이용하는 경우를 체적형(레시프로 증기기관, 가솔린 기관, 디젤 기관 등)으로 구분한다.

4.1.1. 내연기관

내연기관은 연소가스가 팽창하는 압력으로 직접 피스톤을 밀거나 터빈을 회전시키는 등의 일을 하는 기관이다. 자동차용 고속 기관에서는 20% 이상, 대형 선박용 유니플로우 흡기 디젤 엔진에서는 50%에 달하는 열효율을 낼 수 있을 정도로 열효율이 높지만, 연료의 성질에 제약이 있다. 점화플러그 방식에서는 점화플러그에 의한 화염 전파가 아닌 비정상 연소(프리이그니션과 데토네이션)가 문제이며, 옥탄가가 주요 관심사이다. 또한, 화염 전파 속도에는 한계가 있어 실린더 용적을 크게 할 수 없다. 반면, 디젤 방식에서는 점화 용이성이 관심사이며, 세탄가가 된다.

4.1.2. 외연기관

외연기관은 연료의 연소가 기관 외부에서 이루어지는 방식이다. 증기기관, 스털링 엔진 등이 이에 해당한다.

* [[증기 터빈]]: 외부에서 발생시킨 고온의 증기를 터빈 날개에 분사하여 작동한다. 화력발전, 원자력 발전에서 주로 사용된다.
* [[스털링 엔진]]: 두 개의 실린더 내 작동 기체를 외부 열원으로 교대로 가열·냉각함으로써 차등적으로 피스톤을 왕복 운동시킨다. 이론적으로는 카르노 사이클과 같은 열효율을 가진다.

4.2. 열역학 사이클에 따른 분류

열기관은 가열된 가스의 팽창을 이용하여 동력을 얻는 기관이다. 증기기관, 디젤 엔진, 가솔린 기관 등이 그 예이다. 주위 환경은 저열원 역할을 하며, 상대적으로 차가운 공기를 공급하여 열을 받아 급속히 팽창시켜 엔진의 기계적 움직임을 제공한다.

열기관은 작동 유체의 상태에 따라 증기 동력 사이클과 가스 동력 사이클로 나눌 수 있다.

* [[증기 동력 사이클]]: 작동 유체가 가스와 액체 상태를 오가는 사이클이다. 랭킨 사이클(증기기관)과 재생 사이클이 여기에 해당된다.
* [[가스 동력 사이클]]: 작동 유체가 항상 가스 상태인 사이클이다. 카르노 사이클(카르노 열기관), 브레이턴 사이클(가스터빈), 에릭슨 사이클, 스털링 사이클(스털링 기관) 등이 있다.
* [[내연기관]]: 오토 사이클(가솔린 기관, 고속 디젤엔진), 디젤 사이클(저속 디젤엔진), 아킨슨 사이클, 르노와르 사이클(펄스 제트기관) 등이 있다.

이 외에도 열전기를 이용하는 열전기, 열전자효과(에디슨 효과)와 같이 직접 변환 방식, 그리고 냉동기 (카르노 냉동기, Vuilleumier 냉동기, 흡수 냉동기)도 열기관의 범주로 볼 수 있다.

4.2.1. 랭킨 사이클

증기 동력 사이클의 한 종류이다. 증기기관에서 사용되며, 작동 유체로 물을 사용한다. 랭킨 사이클은 증기 터빈에서 흔히 볼 수 있는 사이클이다.

4.2.2. 브레이턴 사이클

가스터빈에서 사용되는 사이클로, 공기를 작동 유체로 사용한다. 줄 사이클이라고도 부른다.

4.2.3. 오토 사이클

내연기관의 한 종류이다. 가솔린 기관과 고속 디젤엔진에서 사용된다.

4.2.4. 디젤 사이클

디젤 엔진에서 사용되는 사이클이다. 내연기관의 한 종류로, 공기를 압축한 실린더 내에 연료를 분사하여 연소·팽창시킨다. 저속 디젤 기관에 사용되며, 스로틀이 필요 없으므로 열효율이 좋은 반면, 공기와 연료의 혼합이 어렵고 배기가 더러워지기 쉽다. 주로 선박에 사용된다.

5. 열기관의 효율

열기관의 효율은 공급된 열에너지 중 유용한 일로 변환된 비율을 의미한다. 열역학 법칙에 따르면, 순환 과정이 완료된 후 다음이 성립한다.

:$W\; +\; Q\; =\; \backslash Delta\_\{cycle\}U\; =\; 0$

:따라서

:$W\; =\; -Q\; =\; -\; (Q\_c\; +\; Q\_h)$

여기서

* $W\; =\; -\backslash oint\; PdV$는 한 사이클에서 열기관에서 추출되는 순일이다. (일은 기관 에 의해 수행되므로 음수이다.)
* $Q\_h\; >\; 0$는 한 사이클에서 주변의 고온 열원에서 흡수되는 열에너지이다. (열에너지가 기관에 추가되므로 양수이다.)
* 는 기관이 저온 열 싱크에 방출하는 폐열이다. (열이 기관에서 싱크로 손실되므로 음수이다.)

즉, 열기관은 고온 열원에서 열에너지를 흡수하여 그 일부를 유용한 일로 변환하고 나머지는 저온 열 싱크에 폐열로 방출한다.

일반적으로 주어진 열전달 과정의 효율은 "얻는 것"과 "투입하는 것"의 비율로 정의된다. 열기관의 경우, 연료 연소로부터 열 $Q\_h$를 투입하여 일 $W$를 얻고자 하므로, 기관 효율은 다음과 같이 정의된다.

:$\backslash eta\; =\; \backslash frac$

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📌 열 고정 해제

{Q_h} = \frac{Q_h + Q_c}{Q_h} = 1 + \frac{Q_c}{Q_h} = 1 - \frac

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📌 열 고정 해제

{Q_h}

효율은 100% 미만인데, 이는 저온에서 필요한 재압축 과정 중에 필연적으로 저온 싱크로 폐열 이 손실되기 때문이다.

열기관의 이론적 최대 효율은 작동 온도에만 의존하며, 카르노 열기관과 같은 이상적인 가상 열기관을 사용하여 유도할 수 있다. 순환 과정 후 엔트로피 변화량은 0 이므로,

:$\backslash \; \backslash \; \backslash \; \backslash Delta\; S\_h\; +\; \backslash Delta\; S\_c\; =\; \backslash Delta\_\{cycle\}\; S\; =\; 0$

$\backslash Delta\; S\_h$는 양수이고, $\backslash Delta\; S\_c$는 음수이다. 기관이 이상적이고 가역적으로 작동하는 경우, $Q\_h\; =\; T\_h\backslash Delta\; S\_h$이고 $Q\_c\; =\; T\_c\backslash Delta\; S\_c$이므로,

$Q\_h\; /\; T\_h\; +\; Q\_c\; /\; T\_c\; =\; 0$,

따라서 $Q\_c\; /Q\_h\; =\; -T\_c\; /\; T\_h$가 되고, 열기관 효율에 대한 카르노 한계는 다음과 같다.

:$\backslash eta\_\backslash text\{max\}\; =\; 1\; -\; \backslash frac\{T\_c\}\{T\_h\}$

여기서 $T\_h$는 고온원의 절대 온도, $T\_c$는 저온 싱크의 절대 온도이며, 보통 켈빈 단위로 측정된다.

열역학 제2법칙에 따르면, 카르노 효율은 모든 열역학적 순환 과정의 효율에 대한 이론적 상한이다. 경험적으로, 카르노 사이클보다 더 높은 효율로 작동하는 열기관은 아직까지 개발되지 않았다.

그림 2와 그림 3은 온도에 따른 카르노 사이클 효율 변화를 보여준다.

최대 효율을 갖는 카르노 순환은 미소한 온도 기울기에서 작동해야 한다. 서로 다른 온도의 두 물체 사이의 열 전달은 비가역적이기 때문에, 카르노 효율은 미소한 극한에만 적용된다.

이상적인 열기관 효율을 측정하는 또 다른 방법은 내부 가역 열역학을 고려하는 것이며, 대표적인 예로 커즌-알본 엔진이 있다. 이 경우, 동력 출력과 효율 사이에 상충 관계가 존재한다. 엔진이 매우 느리게 작동하면, 고전적인 카르노 결과가 나타난다.

:$\backslash eta\; =\; 1\; -\; \backslash frac\{T\_c\}\{T\_h\}$

하지만 동력 출력이 0 이 된다는 단점이 있다. 반면 엔진을 최대 출력으로 작동시키면 효율은 다음과 같다.

:$\backslash eta\; =\; 1\; -\; \backslash sqrt\{\backslash frac\{T\_c\}\{T\_h\}\}$ (T는 K 또는 °R 단위)

이 모델은 실제 열기관의 작동 효율을 더 잘 예측한다.

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📌 열 고정 해제

발전소의 효율

발전소	$T\_c$ (°C)	$T\_h$ (°C)	$\backslash eta$ (카르노)	$\backslash eta$ (내부 가역)	$\backslash eta$ (관측치)
웨스트 서록(West Thurrock) (영국) 석탄 화력 발전소	25	565	0.64	0.40	0.36
CANDU (캐나다) 원자력 발전소	25	300	0.48	0.28	0.30
라르데렐로(Larderello) (이탈리아) 지열 발전소	80	250	0.33	0.178	0.16

5.1. 효율 향상 기술

열역학적 효율을 개선하기 위한 대부분의 노력은 재료 한계 내에서 열기관의 고온부 온도를 높이는 데 집중된다. 열기관의 최대 이론 효율은 고온부와 저온부 사이의 온도 차이를 고온부의 온도로 나눈 값과 같으며, 각각 절대 온도로 표현된다.

엔지니어들은 주어진 동력원에서 얻을 수 있는 유용한 일의 양을 개선하기 위해 다양한 열기관 사이클을 연구해 왔다. 카르노 사이클 한계는 어떤 기체 기반 사이클로도 도달할 수 없지만, 엔지니어들은 그 한계를 우회하는 두 가지 방법과 규칙을 어기지 않고 효율을 높이는 한 가지 방법을 찾았다.

# 열기관의 온도 차이 증가: 가장 간단한 방법은 고온 측 온도를 높이는 것이다. 이는 현대 복합 사이클 가스터빈에서 사용되는 방식이다. 하지만 엔진 재료의 녹는점, NO_x 생성에 대한 환경적 우려 등으로 인해 최대 온도는 제한된다. 효율을 높이는 또 다른 방법은 배출 온도를 낮추는 것이다. 혼합 화학적 작동 유체를 사용하고 혼합물의 변화하는 거동을 이용하는 새로운 방법이 있다. 칼리나 사이클은 암모니아와 물을 혼합하여 작동 유체로 사용하며, 다른 공정보다 낮은 온도에서 유용한 동력을 생성할 수 있다.
# 작동 유체의 물리적 특성 이용: 임계점 이상의 유체 거동 변화를 이용하는 것이다. 초임계수나 이산화탄소 (초임계 이산화탄소)를 사용하면 기존의 브레이턴 또는 랭킨 사이클을 사용하는 경우에도 열기관에서 더 큰 열역학적 효율을 얻을 수 있다. SO₂과 크세논도 고려되었지만, 부식, 침식, 고압, 독성 등의 문제가 있다. 크세논은 중성자 흡수 단면적이 높아 원자로에 부적합하고, 이산화탄소와 물은 중성자 감속재 역할을 할 수 있다.
# 작동 유체의 화학적 특성 이용: 특수 작동 유체를 사용하는 것이다. 이산화질소(NO₂)는 저온에서 압축 후 가열하면 이합체인 사산화 이질소(N₂O₄)가 분해되어 작동 유체의 분자량을 낮춰 효율을 높인다. 냉각 후에는 다시 결합하여 사이클을 반복한다. 브롬화알루미늄(Al₂Br₆), NOCl, Ga₂I₆ 등도 조사되었지만, 단점 때문에 사용되지 않았다.

6. 열기관의 응용

열기관은 일상생활에서 다양한 형태로 활용된다. 증기기관, 디젤 엔진, 가솔린 기관 등이 그 예시이며, 이들은 가열된 가스의 팽창을 통해 동력을 얻는다.

6.1. 수송 분야

열기관의 일상 예로는 증기기관, 디젤 엔진, 가솔린 기관 등이 있다. 이러한 열기관은 가열된 가스의 팽창에 의해 힘을 얻으며, 주위 환경은 저열원으로서 열을 받아서 급속히 팽창하여 엔진의 기계적 움직임을 제공한다.

자동차, 선박, 기관차 등 수송 분야의 주요 동력원으로 사용된다.

6.2. 발전 분야

증기터빈은 화력발전에서 전기를 생산하는데 사용된다.

6.3. 기타 분야

냉장고, 에어컨, 열펌프는 역방향으로 작동하는 열기관의 예시이다. 즉, 저온에서 열에너지를 취하여 마찰이나 전기 저항을 통한 단순한 일의 열로의 변환보다 효율적인 방식으로 온도를 높이는 데 일을 사용한다. 냉장고는 열적으로 밀폐된 저온의 공간에서 열을 제거하고 고온의 폐열을 환경으로 배출하며, 열펌프는 저온 환경에서 열을 취하여 고온의 열적으로 밀폐된 공간(주택)으로 '배출'한다.

일반적으로 열기관은 기체 법칙에 따른 기체의 팽창 및 압축과 관련된 열적 특성 또는 기체와 액체 상태 간의 상 변화와 관련된 특성을 이용한다.

가정용 냉장고는 열펌프의 한 예시이다. 열펌프는 열기관의 역순으로 작동한다. 외부에서 일(work)을 가하여 온도 차이를 만든다. 많은 순환 과정(cycle)들이 역으로 작동하여 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 열을 이동시킬 수 있으며, 이로 인해 차가운 쪽은 더 차가워지고 뜨거운 쪽은 더 뜨거워진다. 이러한 순환 과정들의 내연기관 버전은 본질적으로 가역적이지 않다.

냉동 순환 과정에는 다음과 같은 것들이 포함된다.
* 공기 사이클 기계
* 가스 흡수 냉장고
* 자기냉동
* 스터링 극저온 냉각기
* 증기 압축 냉동
* 뷔유미에 사이클

7. 한국의 열기관 산업

한국은 조선, 자동차 산업의 강국으로, 열기관 기술 개발에 많은 투자를 하고 있다.

조선 산업에서는 선박용 대형 저속 디젤 엔진 분야에서 세계적인 경쟁력을 보유하고 있으며, 자동차 산업에서는 현대자동차, 기아 등 한국 자동차 회사들이 고효율, 친환경 엔진 개발에 주력하고 있다.

7.1. 조선 산업

한국은 선박용 대형 저속 디젤 엔진 분야에서 세계적인 경쟁력을 보유하고 있다.

7.2. 자동차 산업