네, 안녕하세요~
우선 하나씩 설명하면
비열이란 kJ/kg K로 어떤 물질 1kg이 1K(℃)온도 변화 할 때의 필요한 에너지(kJ)로 물질의 특성입니다.
어떤 물질이 온도 변화 할 때 질량당 필요하거나 제거해야 하는 열량 계산 시 사용하는 특정 값입니다.
따라서 어떤 물질이 온도변화 할 때 필요한 열량을 구하라고 하면 이 비열을 사용하여 열량을 계산하게되는데 이때 물질은 질량(kg)기준입니다.
따라서 체적 유량[m^3/s](풍량 또는 수량)에 대한 온도변화 시 열량을 구하라고 하면 이 체적유량을 질량으로 환산해야 하기 때문에 밀도를 사용하게 됩니다
체적유량(풍량, 수량)[m^3/s]에 물질 특성인 밀도[kg/m^3]를 곱하게 되면 밀도가 단위 체적당 질량이기 때문에 어떤 체적이 질량(kg)으로 환산되게 됩니다.
따라서 문제를 파악해서 비열로 열량을 구하는 문제라면 질량비열이기 때문에 주어진 물질이 질량이면 그대로 계산하면 되고
체적이면 밀도를 적용하여 질량으로 환산해야 합니다.
그리고 밀도(kg/m^3)는 비체적(m^3/kg)의 역수이기 때문에 밀도가 아닌 비체적이 주어진 경우는 비체적을 나누는 식이 되기도 합니다.
여기 까지 밀도(또는 비체적)를 사용하는 법이 되겠습니다.
다음으로는 비열 없이 사용되는 경우는 엔탈피로 주어졌을 때 입니다.
엔탈피란 내부에너지와 외부에너지의 합으로 표현된 새로운 물질량입니다.
내부에너지는 주로 온도의 함수가 되고 외부에너지는 압력과 체적으로 기체의 운동에너지로 표현됩니다.
첫번째 예로
물을 대기압에서 가열하여 20℃ 에서 120℃ 의 과열증기가 되었다고 했을 때 엔탈피 변화는
20→100℃ 내부 분자운동이 증가(현열증가)되고 100℃포화수에서 100℃건포화증기까지는 액체가 기체가 되면서(잠열증가) 분자운동은 100℃를 유지하지만
발생된 증기는 압력과 체적의 에너지로 변환되어 갖게 됩니다.
다시 100℃ 포화증기는 120℃ 까지 내부에너지인 분자운동이 증가되는 온도 증가 현상(현열증가)이 일어납니다.
이렇듯 상변화에서 에너지 변화는 현열과 잠열로 구분해서 계산해야 하는데
총 에너지인 20℃ 갖고 있는 엔탈피에서 120℃가 갖고 있는 엔탈피로 표현하면 비열과 잠열 계산 없이 간단히 변화된 에너지를 구할 수 있게 됩니다.
예로 증기보일러의 정격출력을 구할때 급수의 엔탈피를 주어지고 발생된 증기의 엔탈피를 주어지게 되면
여기에는 현열과 잠열을 포함된 에너지이기 때문에 별도로 비열이나 잠열을 사용하지 않고 엔탈피로만 구하게 됩니다
(정격출력[kJ/h]=증기발생량[kg/h]×(증기엔탈피[kJ/kg]-급수엔탈피[kJ/kg]))
두번째는 습공기 계산에서 사용하는 엔탈피 입니다.
이 부분을 잘 정리하셔야 합니다.
습공기(건조공기+수증기)의 엔탈피는 열역학 엔탈피와 약간 다르게 사용되는데
엔탈피는 주로 변화된 에너지를 계산하는데 사용하다보니 0℃ 건조공기를 엔탈피 0kJ/kg의 기준으로 하여 증감을 표시합니다.
수분을 포함하지 않은 건조공기의 엔탈피는 공기의 압력과 체적은 변화없는 것으로 간주하여 무시하고 온도의 함수로만 계산을 하여 현열(Cp dt)이라고 하고
어떤 습공기 속에 있는 수증기의 엔탈피는 0℃ 물이 증발하여 해당 온도가 되었다로 계산을 하게 됩니다.
이를 정리하면 바로 습공기의 엔탈피식이 됩니다
1) 습공기 1kg에 대한 현열량=건조공기1kg × 공기의 정압비열 × 0℃에서 변화 된 온도차
2) 습공기 1kg에 대한 잠열량=건조공기 1kg' 중의 절대습도kg×(0℃물의 증발잠열+수증기 비열×0℃에서 변화 된 온도차)
따라서 습공기의 엔탈피[kJ/kg] = 1)식 + 2)식 = Cpdt +x(2501+Cdt)
그러므로 습공기 계산에서 절대습도 없이 온도변화 만 있다면 공기의 정압비열을 사용하여 현열만 계산하면 되지만
절대습도가 변화는 과정이라면 위 식으로 복잡하게 계산되는 것을
엔탈피를 알면 간단히 공기의 질량에 변화 전 후 엔탈피값을 곱하면 변화된 열량이 계산됩니다.
세번째로 냉동사이클 관련 기본식에서 ph 선도로 계산하는 이유도 냉매가 과냉액-포화액-습증기-건포화증기-과열증기 구간을 이동하므로 총에너지인 엔탈피로 계산하면 현열 잠열 구분없이 편하게 변화된 열량을 계산할 수 있기 때문입니다.
결론)
1) 문제에서 온도의 변화만으로 계산되는 경우라면 비열[kJ/kg K]을 사용하고
주어진 물질이 질량인지 체적인지를 확인하여 체적일 경우 밀도를 적용하여 질량으로 환산한 후 비열식을(q=mCdt) 적용한다.
2) 습공기계산에서 공기의 상태가 온도만 변화하는(주로 가열과정)열량계산은 온도변화와 공기의 비열로서 계산이 가능하지만
절대습도가 변하는 과정 즉, 잠열이 같이 변화하는 과정(냉각감습, 혼합, 가습 등)은 비열없이 물질의 질량에 변화된 엔탈피차로 계산을 한다.
여기서도 물질이 체적으로 주어지게 되면 밀도를 적용하여 질량으로 환산해야 한다. 엔탈피는 kJ/kg 으로 질량 엔탈피를 사용하기 때문이다.
-이상-
간단히 정리 할 수도 있었지만 다른 수험생들도 궁금해 하는 부분이라서 도움이 되고자 정리하였습니다.
열공하시고 합격하시기를 기원합니다.
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