열기관과 열효율 : 카르노기관, 영구기관

1. 열기관

  ▣ 열기관 : 열원으로 부터 받은 열에너지를 유용한 일로 바꾸는 장치

위 그림을 보면 높은 고열이 있고 그 열이 열기관으로 흡수된다. 흡수된 열은 열기관을 이용하여 일을 하고 낮은 저열원이 된다. 이 때 받은 열로 외부에 일을 다하지 못한 열은 외부에 열로 방출하게 된다. 이 때 높은 고열원은 Q1이라 하고 방출된 열을 Q2라고 하고 한 일을 W라고 한다.

이를 이용하여 열기관의 열효율을 알 수 있다.

열효율은 기호로 e라고 쓰고 식으로는 W/Q1으로 나타낼 수 있다.

다른 식으로는 W = Q1 - Q2 가 된다.

따라서 열효율은 (Q1 - Q2) / Q1 가 된다.

즉, 열효율이 1인 열기관은 없다고 할 수 있다.

그 이유는 고온에서 시작한 열에너지가 이동하면서 저온으로 되는데 고온의 열이 저온의 열로 빠져 나가고 저온으로 된 열에너지는 다시 고온의 열에너지로 보낼 수가 없다.

따라서 저온이 된 열은 고온으로 바꾸는 일을 할 수 없다.

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2. 카르노 기관

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  ▣ 카르노 기관 : 열효율이 가장 높은 이상적인 열기관

 

카르노 기관에서도 일반적인 열효율은 다른 열기관과 같은 식을 적용 한다. 그런데 표현을 조금 다르게 한다. 일단 소문자 e는 열효율을 나타낸다. 그리고 카르노 기관에서는 절대온도를 사용한다. 따라서 고열원의 절대온도 분의 저열원의 절대온도 이런 식으로 열효율 표현식이 달라진다.

 

위 그래프는 카르노 기관에서의 열순환과정을 나타낸 것인데 순환과정에서 일을 하는 과정을 나타낸 것이다. 왼쪽 맨 위 지점에서 열을 받으면서 같은 등온선 내에서 이동하는 등온현상을 나타낸다. 이 구간을 등온팽창이라고 하고 오른 쪽 위 지점에서 오른쪽 아래 지점으로의 이동은 열은 출입이 없이 부피가 팽창하는 단열팽창이 일어나고 그리고 오른쪽 아래에서 왼쪽 아래로 이동하는 것은 같은 온도에서 열을 방출하는 등온압축이 일어난다. 마지막으로 왼쪽 아래에서 왼쪽 위로 이동하는 것은 단열압축이 일어난다.

카르노 기관이 하는 일은 곡선 내부의 면적이 된다.

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3. 영구기관

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▣ 제1종 영구기관 : 외부 에너지의 공급없이 작동하는 기관

     ※ 열역학 제1법칙에 위배된다.

▣ 제2종 영구기관 : 열기관이 작동하며 방출한 낮은 온도의 열을 다시 높은 온도로 보내 사용할 수 있는 열효율이 100%인

                                 열기관

  ※ 이는 열역학 제2법칙에 위배된다.

  ※ 현실세계에서는 영구기관이란 있을 수 없다.

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