RTO care

1. 증기 동력 사이클. 이 사이클 및 엔진에서는 작동 유체는 가스와 액체이다.

   

   1) 랭킨 사이클 (증기기관)

   2) 재생 사이클

   

2. 가스 동력 사이클

   1) 카르노 사이클 (카르노 열기관)

   2) 브레이튼 사이클 혹은 줄 사이클 (가스터빈)

   3) 에릭슨 사이클

   4) 스털링 사이클 (스털링 기관)

   5) 내연기관

      (1) 오토 사이클 (예. 가솔린엔진, 고속 디젤엔진)

      (2) 디젤 사이클 (예. 저속 디젤엔진)

      (3) 아킨슨 사이클

      (4) 르노와르 사이클 (예. 펄스 제트기관)

   

3. 직접 변환

   1) 열전기 (펠티에르-시벡 효과)

   2) 열전자효과(에디슨 효과)

   

4. 냉동(냉동기는 열펌프, 즉 열기관의 반대)

   1) 카르노 냉동기

   2) Vuilleumier 냉동기

   3) 흡수 냉동기

   

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1. 엔탈피(enthalpy)

   

H = U + PV

엔탈피는 에너지 개념입니다. 단위역시 에너지의 단위인 J(줄) 이나 kJ로 나타난다.

어떤 물질이 있으면, 그 안에 수많은 원자들이 결합되어 있다. 그 각 원자 혹은 분자들이 움직이고 있고,

그 하나하나의 운동에너지의 총합, 또 각각 전기력으로 결합되어 있고, 그 결합에너지들의 합 등등..한

물체내의 모든 에너지의 총합을 그 물체의 내부에너지라 한다.

   

내부에너지의 경우, 부피가 일정한경우 온도를 증가시켜주면 가해준 열만큼 내부에너지가 증가한다.

즉 '가해준열량 = 늘어난 내부에너지' 의 공식이 성립합니다. 단 부피가 일정해야한다는 조건이 있죠.

하지만, 우리가 사는 실제현실에서는 부피가 일정한 경우보다는 압력이 일정한 경우가 더 많겠죠.

대기압은 언제나 1기압으로 일정하기 때문에 그래서 도입된게 엔탈피입니다.

   

엔탈피 역시 내부에너지와 비슷한 그 물체가 갖고있는 에너지의 개념이지만, 엔탈피의 경우에는 일정한

압력하에서 '가해준 열량 = 늘어난 엔탈피' 라는 공식이 성립합니다. 즉 내부에너지보다 엔탈피가 얼마나

증가했는지 감소했는지 측정하기가 더 쉽다는 말입니다.

   

압력은 대기압으로 고정되어 있을 때 가해준 열량만 계산하면 되기 때문입니다. 내부에너지를 계산하려면,

부피를 고정시킨다는건 어려운 일이니까.

   

2. 엔트로피(Entropy)

   

엔트로피(Entropy) = 에너지(Energy) + 변환(Tropy)

1865년 R.E.클라우지우스가 변화를 뜻하는 그리스어 τροπη에서 이 물리량을 엔트로피라 이름하였다.

   

이론적으로는 물질계가 흡수하는 열량 dQ와 절대온도 T와의 비 dS=dQ/T로 정의한다. 여기서 dS는 물질

계가 열을 흡수하는 동안의 엔트로피 변화량이다.

   

열기관의 효율을 이론적으로 계산하는 이상기관의 경우는 모든 과정이 가역과정이므로 엔트로피는

일정하게 유지된다.

   

일반적으로 현상이 비가역과정인 자연적 과정을 따르는 경우에는 이 양이 증가하고, 자연적 과정에

역행하는 경우에는 감소하는 성질이 있다. 그러므로 자연현상의 변화가 자연적 방향을 따라 발생하는가를

나타내는 척도이다.

   

대부분 자연현상의 변화는 어떤 일정한 방향으로만 진행한다. 즉, 자연현상의 변화는 물질계의 엔트로피가

증가하는 방향으로 진행한다. 이것을 엔트로피 증가의 법칙이라고 한다.

   

예를 들면, 온도차가 있는 어떤 2개의 물체를 접촉시켰을 때, 열 q가 고온부에서 저온부로 흐른다고 하면

고온부(온도 T1)의 엔트로피는 q/T1만큼 감소하고, 저온부(온도 T2)의 엔트로피는 q/T2만큼 증가하므로,

전체의 엔트로피는 이 변화를 통하여 증가한다. 역으로 저온부에서 고온부로 열이 이동하는 자연현상에

역행하는 과정, 예를 들면 냉동기의 저온부에서 열을 빼앗아 고온부로 방출하는 과정에서 국부적으로

엔트로피가 감소하지만, 여기에는 냉동기를 작동시키는 모터 내에서 전류가 열로 바뀐다는 자연적 과정이

필연적으로 동반하므로 전체로서는 엔트로피가 증가한다.

   

때때로 자연현상은 국부적으로 엔트로피가 감소하는 비자연적 변화를 따르는 것도 있지만, 그것에 관계되는

물질계 전체를 다루어 보면, 항상 엔트로피를 증가시키는 방향으로 현상이 변화한다. 이 이론은 자연현상이

일어나는 방향을 정하는 것으로서, 에너지보존법칙과 함께 열역학의 기본법칙으로서 중요하다.

   

이상기체에서 엔트로피가 증가하지 않는 것은 가역변화라고 하는 비현실적인 변화를 가정하고 있기 때문

이다.

   

엔트로피는 물질계의 열적 상태로부터 정해진 양으로서, 통계역학의 입장에서 보면 열역학적인 확률을

나타내는 양이다. 엔트로피 증가의 원리는 분자운동이 확률이 적은 질서 있는 상태로부터 확률이 큰

무질서한 상태로 이동해 가는 자연현상으로 해석한다. 예를 들면, 마찰에 의해 열이 발생하는 것은 역학적

운동(분자의 질서 있는 운동)이 열운동(무질서한 분자운동)으로 변하는 과정이다. 그 반대의 과정은

무질서에서 질서로 옮겨가는 과정이며, 이것은 자발적으로 일어나지 않는다.

   

일반적으로 열역학적 확률의 최대값은 온도가 균일한 열평형상태에 대응하는 것이다. 고찰하고 있는

물질계가 다른 에너지 출입이 없는 고립계인 경우에는 늦던 빠르던 전체가 열평형에 도달하여 모든

열과정이 정지하는 것이라고 생각된다.

   

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Q

안녕하세요 ^^

물질전달을 공부하는 중에 이중경막론에 대해서 공부하는 중에 가정에 대한 의문이 있어 여쭙고자

글을 올립니다.

이중경막론에서 하는 가정이

1) Interface between the gas phase and the liquid phase is a sharp boundary.

   

2) Laminar film exist at the interface on both sides of the interface

   

3) Equilibrium exists at the interface, thus there is negligible resistance to mass transfer across

    the interface: (xi, yi) is the equilibrium concentration.

   

4) No chemical reaction: rate of diffusion across the gas-phase film must equal the rate of diffusion

                                    across the liquid-phase film

   

등이 있었습니다. 여기서 제가 궁금한 것이 인터페이스가 sharp하다고 가정한 이유와 인터페이스 근처에서 층류층만 있다고 가정한이유,  그리고 화학반응이 없다고 가정햇는데 이것의 의미가 정말 없다고 가정한 것인지, 아니면 화학반응이 일어나지만 너무 빨리 일어나 없는것처럼 해도 무방하다고 가정하는 것인지 궁금합니다. 그리고 계면에서의 평형식을 보면 ci=Hpi 즉, 헨리상수가 비례상수로 쓰여지는데 이것역시 가정에 의해 그런것인지, 아니면 실제로도 쓰일 수 있을지 궁금합니다.

   

제가 물질전달을 공부하다 보니 정말 아직까지 많이 부족하다는 것을 느끼게 됩니다. ㅠㅠ 하지만 정말 매력있고 재밌는 학문이라고 느껴집니다. 아무쪼록 답변 부탁드릴께요 ^^

 

A

Ass 1) Interface between the gas phase and the liquid phase is a sharp boundary.

액체와 기체의 경계면에서는 각상에서의 농도표시방법이 다르고 분자들간의 거리나 거동현상이 크게 다르기 때문에 이 두개의 Phase 경계면에서는 불연속점이 나타나도 계를 해석하는데에 있어서 지장을 주지않는다고 가정한 것입니다.  즉 농도 불연속, 물성불연속, 에너지 불연속 등에 전혀 구애됨이 없이(그에 따른 부수적 현상등을 모두 무시하고) "거리낌없이" 물질이 이 경계면을 통해 전달된다고 가정한 것입니다. 

   

실제로는 기상에서 액상에 이동하면 분자간의 거리가 갑자기 달라져 위치에너지에 해당하는 에너지는 방출해서 온도를 상승시키기도 하고 갑자기 점도가 크게 증가하여 이동 저항이 달라지기도 하는데 이들 현상을 모두 고려한다면 계의 해석이 아주 어려워 지기 때문에 시스템 해석을 간단히 하기 위해서 가정한 내용입니다.   

   

그러나 장기적으로 물질전달 현상을 더욱 정밀하게 하기 위해서는 분자 Level에서의 분자간 충돌, 반발, 분자간 인력, Molecule 형상, Molecule을 구성하는 Molecular Orbital간의 상호작용 등이 고려되어야 할 것입니다.  실제로 해외 각국에서는 Molecule Level 혹은 Nano-scale에서의 물성의 예측이나 분자 상호간의 효과나 거동등을 해석해 보려는 연구가 시도되고 있습니다. 특히 Molecular Physics, Molecular Biochemistry, Molecule Design 등의 분야에서 이런 시도를 하고 있는 것 같습니다.   

   

Ass 2) Laminar film exist at the interface on both sides of the interface

여기서 말하는 Film이란 바로 각 Phase가 접하고 있는 각각의 벽면 가까이에 물질전달에 저항을 가진 2개의 "Film 들"을 의미하는 것이고 물질전달 계수를 이들 Film들을 통과할 때 걸리는 저항들를 모두 합한 값의 역수로부터 계산하려는 의도로 이들 Film을 언급한 것입니다. 

   

이 Film이 Laminar Film이라고 굳이 명시한 것은 이 면이 Turbulent 상태라고 하면 Bulk Fluid 에서의 농도와  경계면에서의 농도가 같다고 가정할 수 밖에 없고 경계면에서의 저항만을 생각해서 시스템을 해석해야 하는데 그리하면 두개의 Film을 거론할 수 없기 때문입니다.  (각 Fluid Phase가 Turbulent 상태라면 Homogenious 상태가 아닌데도 어쩔수 없이 Homogeneous 상태라고 가정할 수 밖에 없으며 그리 되면 Two Film이 아닌 상간 경계면만 존재한다고 볼 수 밖에 없지요.)

   

분명 경계면은 반드시 존재하고 이 경계면에서의 거동이 아주 꺼림칙 하지만 Ass 1)에서 "꺼림칙해도 별수 없다"고 가정했고 또 Ass 3)에서 "좀 꺼림칙 하다고 해도 물질전달에 영향을 주지 않는다" 고 다시 명확히 가정함으로써 이 고민을 해결해 주고 있습니다.  이제 눈치 채셨듯이 이들 모든 가정들은, 한결같이, 물질전달계수를 바로 아래의 수식으로 나타내 보려는 사전공작들입니다. 

   

기상과 액상이 직접 접하고 있는 경우 물질전달 계수 = 1/(기상의 물질전달 저항+액상의 물질전달저항)

   

Ass 3) Equilibrium exists at the interface, thus there is negligible resistance to mass transfer across the interface: (xi, yi) is the equilibrium concentration.

물질전달이 일어나고 있을 때 물질전달이 일어나는 방향으로 각 위치에서의 농도가 시간에 따라 변한다거나 경계면에서 평형에 도달되지 않은 상태에서는 농도를 모두 시간의 함수로 나타내야 하는데 그렇다면 (물질전달)시스템 해석을 위해 "시간"이라는 변수를 추가로 고려해야 하고 그리되면 Dynamic Analysis가 되기 때문에 크게 복잡해 집니다. 

   

따라서 이 가정은 "시간"이라는 변수를 배제하기 위해 사용한 제한조치입니다.  여기선 "Equilibrium"이라는 용어를 사용했지만 이 용어 속에는 "Steady State"라는 의미가 내포되어 있다고 생각하는 것입니다.  또한 Interface에서의 저항은 무시한다고 표현했지만 이를 실제로 해석하기도 어렵고 측정하기는 더욱 어렵기 때문에 속사정은 "Interface에서의 저항은 각 Film저항에서 흡수해 달라"는 주문입니다.   

   

Ass 4) No chemical reaction: rate of diffusion across the gas-phase film must equal the rate of diffusion across the liquid-phase film

물질전달 과정에서 화학반응이 일어난다면 반응공학적(반응속도적) 수식들이 동원되어야 하므로 이를 잊고 작업해보자는 것이고 "rate of diffusion... "이후의 언급내용은 물질전달이 "Steady State"상태에서 일어나고 있다고 명확히 하기위해서 써둔 것입니다.  만일 Steady State가 아니라면 기상에서 전달된 물질이 어느 곳에 "Accumulation"되고 있거나 물질전달 경로를 따라 농도가 시간에 따라 변해야 한다는 것이 되는데 그리되면 문제 풀이가 어려워지기 때문이지요.

   

사실 물질전달을 이용하는 화학장치를 설계하고 설치할 때, 만일 Mass Transfer Flux가 낮다면 전달면적만 늘여주면 해결되지만 장시간 안정적으로 운전될 수 없는 장치를 둔다는 것은 설계자나 운전자 모두에게 부담을 주는 일이기 때문에 Steady State로 운전되는 장치를 구상하는 것이지요.

   

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