사용자:Wisercho/열기관

열역학에서 열기관이란, 열에너지를 소모하여 기계적 일을 수행하는 장치를 말한다. 열기관이 그런 과정을 수행할 수 있는 것은, 열기관 안에 있는 뜨거운 물체의 온도가 내려가면서 이루어진다. 뜨거웠다가 냉각되는 역할을 하는 물체를 '작동물질'이라고 한다. 예를 들어 증기 기관에서 증기나 액체 형태의 물이 작동물질이다.(주석1.) 즉, 작동물질은 이런 열을 전달하는 매개체이다. 열원은 열에너지를 생성하여 작동물질에 공급한다. 열 저장고는 작동물질이 열원으로부터 공급받은 열에너지를 다시 작동물질로부터 흡수한다. 작동물질은 열원으로부터 열에너지를 받고, 이 에너지의 일부를 기계적으로 소모하며, 남는 에너지를 열 저장고에게 빼앗긴다. 열기관이 지속적으로 일을 하려면, 작동물질 역시 반복하여 그 일을 수행하여야 한다. 이런 반복된 과정을 '순환과정'이라 한다.

개요 편집

열역학에서, 열기관은 오토순환과 같은 표준 모델을 사용하여 다루게 된다. 이런 이론적 모델은 압력-부피 도표를 사용하여 실제 엔진으로부터의 데이터를 분석하여 얻어지게 된다. 사실, 이런 열역학 이론에 기반을 둔 열기관은 실제 적용사례와 정확하게 일치하는 경우는 드물다. 그래서 대개 열역학적 열기관은 실제 동력 엔진의 이상적인 경우라고 받아들인다. 어떤 경우에도, 실제 사용되는 엔진과 그 효율을 잘 이해하기 위해선 이론적 열기관 모델을 먼저 잘 이해하여야 한다. 또한 그 둘 사이에 일치하지 않는 점 또한 잘 이해하여야 한다. 일반적으로, 열원과 열 저장고 사이의 온도 차이가 크면 클 수록 이 순환의 열적 효율이 올라갈 것이라고 기대한다. 지구상에서는, 어떤 종류의 엔진이든 주변을 둘러싼 환경의 온도가 한계가 있으므로, 차가워질 수 있는 쪽의 온도에도 약 300K라는 한계가 있다. 따라서 양한 열기관들의 효율을 증대시키기 위한 초점은 주로 열원의 온도를 상승시키는 데에 있다. 이론적으로 열기관이 낼 수 있는 최대 효율은 두 온도 차이를 고온(절대온도 단위)으로 나눈 값이다. 현재 사용되는 여러 열기관들의 효율을 살펴보면, 해양 온도차 발전기(OTEC)의 경우 3%, 자동차 엔진의 경우 25%, 임계 석탄 발전소의 경우 45%, 복합 순환 증기 기관의 경우 60% 정도가 된다(주석2.). 이 모든 과정들의 효율은 온도 차이에서 비롯된다.

주변의 흔한 예 편집

일상적으로 증기 기관, 내연 기관 (디젤 엔진, 휘발유 엔진), 물 마시는 새 장난감, 스털링 기관 등의 열기관을 볼 수 있다. 이 모든 열기관은 가열된 가스의 팽창에 의해 힘을 얻는다. 주위환경은 저열원이며 상대적으로 차가운 공기를 공급하는데, 이는 열을 받아서 급속히 팽창하고 엔진의 기계적 움직임을 제공한다.

열기관의 예 편집

증기 동력 사이클 편집

이 사이클 및 엔진에서는 작동 유체는 가스와 액체이다.

랭킨 사이클 (증기 기관)
재생 사이클은 랭킨 사이클보다 효율적이다.

가스 동력 사이클 편집

이 사이클 및 엔진에서 작동 유체는 항상 가스이다.

카르노 사이클 (카르노 기관)
브레이튼 사이클 혹은 줄 사이클 (가스터빈)
에릭슨 사이클
스털링 사이클 (스털링 기관)
내연기관

오토 사이클 (예. 가솔린엔진, 고속 디젤엔진)

디젤 사이클 (예. 저속 디젤엔진)

아킨슨 사이클

르노와르 사이클 (예. 펄스 제트기관)

직접 변환 편집

열전기 (펠티에르-시벡 효과)
열전자효과 (에디슨 효과)

냉동 편집

냉동기는 열펌프, 즉 열기관의 반대이다. 일이 열의 차이를 만들어낸다
카르노 냉동기
Vuilleumier 냉동기
흡수 냉동기

작동원리 편집

열에너지 편집

열기관에서 열에너지는 작동물질에 의해 일로 전환된다.

순환 편집

작동물질은 일을 하기 위하여 반복적으로 열원으로부터 열에너지를 공급받으며, 열 저장고로 열에너지를 방출한다. 이런 반복 과정을 순환이라고 한다. 열기관은 여러 방법의 순환 과정들을 이용하여 역할을 수행하며, 이 순환의 종류에 따라 열기관을 분류할 수 있다.

효율 편집

열기관의 효율은, 들어온 열에너지의 양 중에서 얼마큼의 유용한 일을 하였는가에 관계있다.

발전, 응용된 개념 편집

공학자들은 더 효율적이고 강력한 열기관을 개발하기 위하여 다양한 열기관을 제작하며 노력했다. 기체 열기관의 효율은 카르노 기관의 한계를 넘을 수 없다는 것을 알지만, 다양한 방법들을 통하여 기존의 한계를 뛰어넘는 열기관을 개발해왔다.

열기관에서 더 큰 온도 차이를 가지도록 한다. 열원이 더 많은 열에너지를 공급하게 하는 방법이 가장 간단한 접근방식이다. 불행히도, 재작재료의 물리적 특성(녹는점과 같은)의 한계, 그리고 질소 배출 등의 환경적인 문제로 인한 제한으로, 열기관들이 일할 수 있는 최대의 온도를 제한한다. 최근의 기체 터빈들은 허용된 질소 배출량 이하에서 가능한 높은 온도로 작동한다. 또 다른 개발 방법은 열저장고의 온도를 낮추는 것이다. 이렇게 하도록 하는 새로운 방법으로, 작동하는 유체에 화합물을 섞어, 이 혼합 유체의 행동을 보는 것이다. 이 혼합물은 다른 대부분의 과정들보다 비교적으로 저온에서도 효과적인 일률로 작동하게 한다.
작동하는 유체의 물리학적 특성을 이용한다. 이런 활용의 가장 흔한 예는, 삼중점 상태의 물, 또는 임계 상태의 증기를 사용하는 것이다. 임계 상태의 유체의 행동은 매우 격렬하고, 물이나 이산화탄소의 경우에는 열기관의 더 높은 열역학적 효율을 위해 이들을 변형할 수 있다. 현재 이런 종류의 응용에서 새롭고 유망한 물질은 이산화탄소, 이산화황, 제논이 있다.
작동하는 유체의 화학적 특성을 이용한다. 최근의 새롭고 독창적인 방식으로, 화학적으로 유용한 색다른 유체들을 사용한다. 그런 한 가지 예로, 스모그의 독성 성분인 이산화질소(NO2)와 그 자연적인 이합체(N2O4)가 있다. NO2가 터빈에서 팽창하게 되면, 열 저장고에서 냉각되어 N2O4로 결합한다. 이것은 다시 다른 순환의 압축기로 피드백 된다. 같은 방식으로, 브롬화알루미늄, NOCl, Ga2I6가 이런 활용을 위해 연구되었다. 이 물질들은 충분히 쓸 만한 효율을 얻을 수 있음에도 불구하고, 이들의 단점들로 인해 요새는 사용되고 있진 않다.