열기관

열원동기(熱原動機)는 열에너지를 기계에너지로 바꾸는 기관을 통틀어 이르는 말이다. 고온의 열을 공급받아 저온으로 방출하면서 일부의 열을 이용하여 일을한다. 증기기관, 원자력기관 등의 외연기관과 가솔린기관, 디젤기관 등의 내연기관으로 나눈다. 열기관이라고도 한다.

효율

열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 원동기로, 고온과 저온의 열원 사이에서 순환 과정을 반복하면서 열에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치를 말한다. 고온의 물체에서 공급해 준 열량과 저온의 물체로 방출된 열량의 차이만큼 열기관은 일을 한다. 공급된 열이 몇 %나 일로 전환하는가를 열기관의 효율이라 하며 보통 열기관의 열효율은 20~40% 내외이다. 한 번 순환하는 사이에 유체가 고온의 열원에서 흡수하는 열량을 $Q_{1}$, 저온의 열원에 방출하는 열량을 $Q_{2}$라고 하면 외부에 하는 일 $W$는 다음과 같다.

$W=Q_{1}-Q_{2}$

열기관의 한 순환 과정에서 흡수한 열량 $Q_{1}$에 대한 외부에 한 일 $W$의 비를 열기관의 효율($e$)이라고 한다.

$e=$ $W \over Q_{1}$ $=$ $Q_{1}-Q_{2} \over Q_{1}$ $=1-$ $Q_{2} \over Q_{1}$

$Q_{2}=0$이면 $e=1$이 되어 효율은 $100\%$가 된다. 이것은 저열원에 열을 버리지 않고 열에너지를 모두 일로 바꿀 수 없다는 열역학 제2법칙에 모순되므로 아무리 좋은 열기관이라도 효율은 $100\%$가 될 수 없다. 프랑스의 물리학자인 카르노는 열기관의 효율을 최대로 하기 위해서는 열기관이 가역 기관이어야 한다는 것을 발견하였다. 가역 기관은 어떤 순환 과정을 어느 방향으로 진행시키더라도 외부에 전혀 영향을 주지 않고 원상태로 되돌아가는 기관이다. 열기관의 최대 효율을 위하여 가역적으로 동작하는 이상적인 열기관인 카르노 기관의 효율은 고열원의 온도 $T_{1}(K)$과 저열원의 온도 $T_{2}(K)$에 의하여 결정된다. 카르노는 이상 기체를 사용한 가역적 열기관의 연구에서 $Q_{2} \over Q_{1}$$=$$T_{2} \over T_{1}$임을 밝히고 이상적 열기관의 효율을 다음과 같이 나타냈다.

열기관의 효율

$e=$ $T_{1}-T_{2} \over T_{1}$ $=1-$ $T_{2} \over T_{1}$

이 효율을 최대 효율이라고 하며, 동작 유체에 관계없이 항상 온도 $T1$, $T2$만으로 결정되는 일정한 값을 갖는다. 실제 열기관의 경우 마찰 등의 비가역적 변화에 의한 손실 때문에 열효율은 최대 효율값보다 작아진다. 따라서 열기관의 효율을 다음과 같이 표시한다.

$e\leq$ $T_{1}-T_{2} \over T_{1}$ $=1-$ $T_{2} \over T_{1}$

열효율을 높이기 위해서는 고열원과 저열원의 온도차를 크게 하여야 한다.

같이 보기

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