열역학 정리

엔진부터 한번 가봅시다.

https://www.youtube.com/watch?v=06bQPPjnw1g

흡기 밸브
배기 밸브
점화 플러그 - 연료와 공기가 섞인 혼합 가스에 스파크를 일으켜 폭발 

실린더가 있고 피스톤이 상하 운동
실린더 둘레에는 열을 식히기 위해 냉각수

크랭크 축 - 피스톤의 직선 운동을 회전 운동으로 바꿔준다.

4행정 사이클
흡입->압축->폭발-> 배기
흡입 - 흡기 밸브가 열리고 피스톤이 내려가며 혼합 가스가 실린더 안쪽으로 들어온다.
압축 - 흡기 밸브가 닫히고, 피스톤이 올라가며 혼합 가스가 고온 고압으로 압축된다.
폭발 - 점화플러그가 스파크를 일으켜 가스가 폭발 -> 피스톤이 아래로 내려간다.
배기 - 배기 밸브가 열리고 피스톤이 올라가며 배기 가스를 내보낸다.

1사이클이 지나면 크랭크 축이 2번 회전한다.

 

캠 축 - 회전 운동을 직선 운동으로 바꿔 밸브를 닫고 연다.
크랭크 축과 타이밍 벨트로 연결되어 있다.
타이밍 벨트는 내구성이 약해 타이밍 체인을 많이 사용 
흡기 캠 축과 배기 캠 축 하나씩 총 2개가 있다. - DOHC 방식 
(하나의 캠 축으로 두개의 밸브를 담당하는 방식 - SOHC - 효율이 떨어져서 안 쓴다.)

크랭크 축이 2번 회전할 때 캠축은 1회전 하며 흡기와 배브가 1회씩 여닫는다.

 

스로틀 바드, 스로틀 밸브
스로틀 밸브가 열리고 닫힘으로써 흡입되는 공기의 양을 조절한다.
가속 페달을 많이 밟으면 밸브가 많이 열려 공기가 많이 흡입된다. -> 엔진에 더 많은 연료 분산 -> 엔진이 빨리 돈다.
혼합 가스는 흡기 다기관을 통해 각각 실린더에 균일하게 분배 

 

직렬 4기통 엔진 - I4
4개의 실린더가 수직으로 위치 

직렬 6기통 엔진 - I6 -> 엔진이 너무 길어진다. -> V6로 변환 
배기 다기관이 배기가스를 모아 머플러로 보내준다.
정속성이 뛰어나고 동력 전달이 부드럽다 => 고급차

V 6기통 엔진 - V6
실린더가 V자 형태로 되어있다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=yplzzNj1vZw

P 압력 - 힘을 알 수 있다.
T 절대온도 
N 분자 수
V 부피
PV = nRT = kNT = 상태 방정식

닫힌 계(물질 출입은 불가하지만 에너지 출입 가능)에서 P,V를 알면 T를 알 수 있다.

열역학 제 1 법칙 - Q = nCv△T + W    => 기체는 열에 따라 부피가 바뀐다.
Q - 기체에 공급하는 열량 
W - 기체가 하는 일
Cv - 정적 몰 비열 - 부피 일정
에너지 보존 법칙

효율 : 공급한 열(Q)에 대한 기체가 한 일(w)의 비율(e)
e가 1인 열기관은 없다.
버려지는 열이 있다. 

열역학 제 2 법칙 - △S >= 0
S - 엔트로피 (Entropy) : 무질서도, 무지(Ignorance)의 정도
고립계에서 엔트로피는 항상 증가한다.
△S = ∫1/T dQ = 처음과 마지막 엔트로피의 차이 

기체 내부 에너지 - U = N Ek
U - 내부 E
Ek - 이상 기체 분자 1개의 평균 운동 E
N - 기체 분자 수 

Ek = 0.5m v^2 = 1.5kT = 1.5 nRT = n(1.5R)T -> U = n Cv T 
vrms = root(v^2) = root(3kT/m) 
vrms - v의 제곱의 평균
Cv = 1.5R - 단원자 분자 이상기체의 정적 몰 비열 
Cv = 2.5R - 이원자 분자 

기체의 압력 
압력 - Px = Fx /A
N - 원자 개수 
L - 높이, 길이, 너비
m - 원자 한개 무게
기체의 압력 - Px = N*Fx / L^2 - 기체 분자 1개가 x 축 면에 가하는 충격력 

운동량 - 충격량 정의 △Px = Fx △t -> 2mv = Fx * 2L/ vx -> Fx = m * vx^2 / L
Fx - 입자가 받는 힘 

평균 충격력 F = m vx ^2 / L = m v^2 /3L
열 역학적 평균 - v^2 = vx^2 + vy^2 + vz^2 = 3 vx^2

P = Nmv^2 / (3 L^3) = N m v^2 / 3V
P - 거시적 물리량
v - 미시적 물리량 

상태 방정식 PV = NkT = N m v^2 / 3
-> 0.5 m v^2 = 1.5 k T

 

기체가 하는 일 W = ∫P dV 
1. 등압 과정
∫F ds = ∫P A ds = ∫P dV
W = P(V2 - V1) 
W > 0 - 팽창 - 기체가 외부에 일을 했다.
W < 0 - 기체가 외부로부터 일을 받았다.
2. 등온 과정 
W = ∫PdV = ∫nRT/V dV = nRT ∫ 1/V dV = nRT ln(V2 / V1)
W > 0 - 팽창 
3. 등적 과정
W = 0
V의 변화가 없다.
4. 단열 과정
단열 팽창 - 온도가 떨어지며 압력이 줄고, 부피가 늘어난다.
Q = n Cv △T + W = 0 -> W = -n Cv △T > 0 

https://www.youtube.com/watch?v=3bSE3XWWJ7Q

증발 잠열 - 액체가 증발하며 열을 빼앗아 간다.
냉매는 증발 잠열이 크다.

냉매 - 쉽게 증발하고 증발 잠열이 크다. 
압축기 - 심장과 같은 역할로 냉매를 순환시켜주고 고온 고압으로 압축해준다.
응축기 - 기체가 열을 빼앗겨 액체로 변하는 곳으로 냉매를 액체로 만들어준다.
팽창 밸브 - 배관이 좁아지는 곳이 있어 잘게 쪼개진다. -> 압력이 떨어지며 온도도 떨어진다.
증발기 - 차가워진 냉매가 방안의 열을 빼앗고 증발한다.

실외기 - 압축기와 응축기 
실내기 - 증발기와 팽창밸브 

압력이 낮아지면 온도가 낮아진다. -> 피스톤을 통해 압력을 높여 온도도 높인다. - 압축기 
요즘은 압력기 말고 스크롤을 통해 공기를 압축한다. - 공간 효율성이 좋고, 진동과 소음도 적다.

뜨거운 기체가 응축기를 통과하며 액체로 식는다. 
뜨거운 기체가 식혀져 운동 에너지가 감소하여 액체가 된다.  - 아직 50C로 뜨겁다.

고온 고압의 액체 냉매는 팽창 밸브에서 좁은 공간을 통과하며 압력이 낮아지고 온도가 떨어진다.
팽창 밸브에 열을 감지하는 감열통이 있는데 스프링을 통해 냉매의 양을 조절하여 냉방 출력을 조절한다. -> 과냉각을 막는다.

팬이 돌면서 뜨거운 방안의 공기를 증발기로 보낸다. 
원기둥 모양의 팬 (임펠러)은 날개가 휘어져 봉기를 밖으로 배출한다. -> 한곳으로 집중시켜 압력을 높인다.
배관에서 물이 생기는데 이 물이 모여 배수관을 통해 나간다.