[공조냉동기계 산업기사] 기초 열역학 필수 암기 정리

✓ 공조냉동기계 산업기사를 준비하면서 공부한 내용이 아까워 블로그에 기록을 남기고자합니다.

열역학의 기본 단위와 정의

공조냉동기계 산업기사에 자주 등장하는 용어는 아래 표와 같아요.

용어	정의	SI 단위
압력 P	단위 면적당 힘	Pa(파스칼)=N/m²
온도 T	분자운동의 정도	℃, ℉, K
열랑 Q	에너지 이동량	J, kcal
일 W	힘x거리	J
엔탈피 h	열에너지 총량	kJ/kg
엔트로피 S	무질서 정도	kJ/(kg・K)

 

시험에서 필수로 암기해야하는 압력의 단위가 있는데, 필기 시험에 응시해본 바로는 단위를 포함하여 그 값이 주어진 경우도 있었지만 그렇지 않은 경우도 많았어요.

압력의 경우를 예로들면, 우리가 흔히 말하는 1기압은 1atm로 표기하고, 이는 지표면을 공기가 누르는 힘을 말해요.

또한 1기압은 표준상태에서 수은주는 760mm와 같으며, 760mmHg로 표시해요.

 

이러한 관계로 1atm=760mmHg=101.325kPa=1.01325bar=101,325N/m²=1.0332kg/cm²=14.696psi로 정의할 수 있어요.

압력의 관계는 자주 나오므로 암기하는 것이 좋아요.

 

절대온도 변환

열역학에서 표준온도로 켈빈온도(단위 : K)를 사용해요.

켈빈온도의 기준점은 0K로 이는 -273.15℃에 해당합니다.

그럼 다음과 같은 관계식이 성립해요.

 

T(K)=℃+273.15

 

암기할 때는 273으로 외우면 돼요.

예를들어 20℃를 절대온도로 변환하면 20+273=293K가 됩니다.

절대온도는 공조냉동기계 산업기사 필기에서 자주 활용되니 반드시 암기하셔야 해요.

열량계산 기본공식

질량 m, 비열 c, 온도변화량 ∆T로 열량을 계산할 수 있어요.

 

Q=m・c・∆T

 

이 공식은 열량을 계산하는 가장 기본이 되는 공식으로 각각의 단위를 살펴보면 질량의 단위는 kg, 비열은 kJ/kg・℃, 온도는 ℃입니다.

단위끼리 계산을하면 최종 열량의 단위는 kJ이 되는 것을 알 수 있어요.

 

비열 (Specific Heat)

사전적 정의로는 물질 1g을 1℃ 올리는데 필요한 열량과 물 1g을 1℃ 올리는데 필요한 열량의 비를 뜻해요.

쉽게 생각해보면, 물질의 온도를 변화시키는데 필요한 열량이라고 생각하면 될 것 같아요.

 

기출문제와 필기 시험 경험 상 비열은 시험에서 가장 자주 나오는 듯 해요.

비열이 주어진 경우도 있지만 반대로 주어지지 않아서 실수를 유발하는 문제도 종종 출제된 것 같아요.

 

• 물의 비열 : 4.186kJ/kg・℃ (약 4.2)

• 얼음의 비열 : 2.093kJ/kg・℃

 

적어도 두 개의 비열은 암기해두면 좋을 것 같아요.

 

잠열  (Latent Heat)

잠열이란 숨은 열을 의미하는데, 어떠한 물체가 온도의 변화없이 상태가 변화하는 경우를 의미해요.

일상 생활에서 발견하기 쉬운 예로는 물이 얼음으로 변하거나, 물이 수증기로 변하는 상태가 여기에 해당해요.

 

• 물이 얼음으로 변화할 때의 잠열 : 약 334kJ/kg (융해잠열)

• 물이 수증기로 변화할 때의 잠열 : 약 2,257kJ/kg (기화잠열)

 

※ 냉동사이클을 계산할 때 "잠열"과 "현열"을 구분하는 문제는 자주 나오는 것 같았어요.

 

상태변화 구분

현열은 감열이라고도 해요. 간혹 기출문제를 풀다보면 문제에서 감열이라고 언급되기도하니 함께 알아두면 좋아요.

 

• 현열 : 온도만 변화하고 상태(고체, 액체, 기체)는 변화하지 않음

• 잠열 : 상태만 변하고 온도는 일정함 (ex. 100℃의 물이 수증기로 변하는 과정)

 

<문제 출제 예시>

① 공기 2kg을 20℃에서 60℃로 가열 → 현열 공식 사용

② 0℃의 물 5kg이 0℃ 얼음으로 변화 → 잠열 공식 사용

③ 100℃의 물이 100℃의 수증기로 변화 → 잠열 공식 사용

 

이상기체 (Ideal gas)

이상기체(Ideal gas)란 기체 분자 간의 상호 작용(인력/반발력)이 없고, 분자 자체의 부피도 무시할 수 있다고 가정한 이론적인 기체예요.

실제 기체는 완전히 이상기체처럼 행동하지 않지만, 압력과 온도가 보통 고온, 저압 상태일 때 실제 기체도 거의 이상기체처럼 거동해요.

 

이상기체 상태방정식

이상기체의 압력, 부피, 온도의 관계는 다음과 같이 표현돼요.

 

PV=mRT

 

여기서 P는 절대압력, V는 부피, m은 질량, R은 기체상수, T는 절대온도입니다.

질량 m 대신 몰수 n을 쓰면 다음과 같이 표현할 수도 있어요.

 

PV=nRT

기체상수 R

공기는 0.287kJ/kg・K, 물 수증기는 0.461kJ/kg・K예요.

기체상수는 어떤 단위냐에 따라 달라지기도 하니 기출문제를 풀면서 단위를 확인하는 연습을 해야해요.

 

1kcal=4.1868kJ의 관계에 있어요. 그래서 공기의 기체상수 R을 kcal로 바꾸면 0.287÷4.1868=0.0685kcal/kg・K로 변환할 수 있어요.

몰수 n을 사용하는 경우, 기체상수는 8.314kJ/kmol・K(=1.987kcal/kmol・K)이니 근사값을 알아두면 문제 풀이에 도움돼요.

 

공조냉동기계 산업기사 필기에서 열역학 파트는 단순 암기와 단위 변환만 잘해도 기본 점수를 확보할 수 있는 것 같아요.

특히 계산문제도 공식에 대입하는 수준의 문제 위주로 출제되다보니 조금만 연습하면 점수를 챙길 수 있어서 기출문제를 자주 풀어보는 것이 좋아요. 틈틈이 제가 공부한 내용들을 올려볼게요. 많은 관심 부탁드립니다!