열역학 사이클

2. 열과 일

열역학 사이클은 크게 동력 사이클과 열 펌프 사이클 두 가지로 나뉜다. 동력 사이클은 열을 기계적 일로 바꾸는 반면, 열 펌프 사이클은 기계적 일을 사용하여 낮은 온도의 열을 높은 온도로 전달한다. 압력-부피(PV) 도표나 온도-엔트로피 도표에서 시계 방향은 동력 사이클, 반시계 방향은 열 펌프 사이클을 나타낸다.^[1]

2. 1. 열역학 과정

• 단열: 사이클의 해당 부분 동안 열($Q$)로서의 에너지 전달이 없다($\backslash delta\; Q\; =\; 0$). 에너지 전달은 시스템이 수행한 일로 간주된다.
• 등온: 사이클의 해당 부분 동안 과정은 일정한 온도에서 진행된다($T=\backslash mathrm\{constant\}$, $d\; T\; =\; 0$). 에너지 전달은 시스템에서 제거된 열 또는 시스템이 수행한 일로 간주된다.
• 등압: 사이클의 해당 부분에서 압력이 일정하게 유지된다.($P=\backslash mathrm\{constant\}$, $d\; P\; =\; 0$). 에너지 전달은 시스템에서 제거된 열 또는 시스템이 수행한 일로 간주된다.
• 등적: 과정은 일정한 부피로 진행된다($V=\backslash mathrm\{constant\}$, $d\; V\; =\; 0$). 에너지 전달은 시스템이 수행한 일이 0이므로 시스템에서 제거된 열로 간주된다.
• 등엔트로피: 과정은 일정한 엔트로피($S=\backslash mathrm\{constant\}$, $d\; S\; =\; 0$)로 진행된다. 이는 단열 과정(열 또는 질량 교환 없음)이며 가역적이다.
• 등엔탈피: 엔탈피 또는 비엔탈피의 변화 없이 진행되는 과정이다.
• 폴리트로픽: 관계 $P\; V^n\; =\; \backslash mathrm\{constant\}$을 따르는 과정이다.
• 가역: 순 엔트로피 생성이 0인 과정이다. $dS\; -\; \backslash frac\{\backslash delta\; Q\}\{T\}\; =\; 0$

2. 2. P-V 선도와 일

3. 실제 시스템 모델링

열역학 사이클은 실제 장치 및 시스템을 모델링하는 데 사용될 수 있으며, 일반적으로 문제를 더 관리하기 쉬운 형태로 줄이기 위해 일련의 가정을 한다.^[2] 예를 들어, 아래 그림과 같이 가스 터빈 또는 제트 엔진과 같은 장치는 브레이턴 사이클로 모델링할 수 있다.

실제 장치는 일련의 단계로 구성되며, 각 단계는 자체적으로 이상적인 열역학적 과정으로 모델링된다. 작동 유체에 작용하는 각 단계는 복잡한 실제 장치이지만, 실제 동작을 근사화하는 이상적인 과정으로 모델링될 수 있다. 연소를 제외한 다른 수단으로 에너지가 추가되면, 배기 가스는 배기구에서 환경으로 폐열을 흡수하는 열교환기로 통과하고 작동 가스는 입구 단계에서 재사용된다는 추가 가정이 있다.

이상적인 사이클과 실제 성능 간의 차이는 상당할 수 있다.^[2] 예를 들어, 아래 이미지는 이상적인 스털링 사이클에 의해 예측된 일의 출력과 스털링 엔진의 실제 성능 간의 차이를 보여준다.

사이클의 순 작업 출력은 사이클 내부로 표현되므로, 이상적인 사이클의 예측 작업 출력과 실제 엔진에 의해 표시된 실제 작업 출력 간에는 상당한 차이가 있다. 또한 실제 개별 과정이 이상적인 대응물과 다르다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 등용적 팽창(과정 1-2)은 실제 부피 변화와 함께 발생한다.