개념 한 쪽
엔탈피는 흐르는 유체의 에너지 균형을 다룰 때 자주 쓰이는 상태량으로 내부에너지에 흐름에너지(PV)를 더한 값으로 정의된다. 정압과정에서는 가한 열이 엔탈피 변화로 직접 연결되고, 특정 과정에서는 엔탈피가 일정하게 유지되거나 감소하는 성질이 나타난다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「엔탈피」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 상태량과 법칙 연결 | 1 | 제2법칙과 연관된 상태량을 가리는 문제 |
| 폴리트로픽 지수 판정 | 1 | PV^n 변화에서 n값과 과정의 대응을 묻는 문제 |
| 등온·단열 비교 | 1 | 등온과 단열 과정에서 내부에너지 변화 차이를 비교하는 문제 |
엔탈피(H)는 내부에너지(U)와 유동에너지(PV)를 합한 상태량으로 H = U + PV로 정의된다. 따라서 엔탈피 변화 ΔH는 내부에너지 변화 ΔU와 PV 항의 변화 Δ(PV)을 합한 값으로 표현된다. 예를 들어 어떤 과정에서 ΔU가 0이라면 ΔH는 단순히 PV의 변화로 결정된다.
정압과정에서는 가한 열량(q)이 엔탈피의 변화와 같아지는 성질이 있다. 흐르는 계의 열교환 장치처럼 압력을 일정하게 유지하는 과정에서는 q = Δh 관계를 사용해 열량 계산을 간단히 할 수 있다. 반대로 등적이나 단열 등 다른 과정에서는 q와 Δh가 일치하지 않는다.
특정 유동 과정에서는 엔탈피가 일정하게 유지되는 경우가 있다. 대표적으로 교축(throttling, 스로틀) 과정은 단열이며 외부일이 없는 비가역 감압 과정으로 에너지식에서 열과 일이 0이므로 입구와 출구의 엔탈피가 같아지는 등엔탈피 과정이 된다. 이와 대비하여 가역 단열과정은 등엔트로피가 성립한다는 점을 함께 기억해야 한다.
엔탈피는 기계적 일과 흐름에너지의 결합적 성질을 반영하므로 엔탈피의 개념을 통해 보일러·응축기·노즐·스로틀 등 다양한 장치의 에너지 해석을 체계적으로 할 수 있다. 내부에너지와 엔탈피의 정의를 혼동하지 않는 것이 해석의 출발점이다.
어떤 과정에서 내부에너지 변화가 0이라고 주어지면 엔탈피 변화는 ΔH = Δ(PV)로만 계산한다는 원리를 적용하면 된다. 예를 들어 처음과 끝 상태의 압력과 체적을 알고 있으면 ΔH = P2V2 − P1V1 공식을 사용하여 엔탈피 차이를 구할 수 있다. 정압 가열 과정에서는 가한 열량 q가 곧 Δh가 된다는 사실을 이용해 필요한 열량을 바로 계산할 수 있다.
폴리트로픽지수 n의 값이 특정 값을 가질 때 상태변화가 된다. 다음 중 옳은 것은?
정답 ③ · 랭킨 사이클은 증기 동력 발전의 기본 원리로, 응축기에서 응축된 포화수를 펌프로 가압하여 보일러로 보냅니다. 보일러에서 가열되어 고온 고압의 수증기가 된 후 터빈을 통과하여 팽창하며 일을 합니다.
폴리트로픽지수는 n=0이면 정압, n=1이면 등온, n=κ(≈1.4)이면 단열, n=∞이면 정적 변화이다.
다음 중 열역학 제2법칙과 가장 직접적인 관련이 있는 물리량은?
정답 ① · 문항은 열역학 제2법칙과 직접 관련 있는 물리량을 묻고 있다. 제2법칙은 자연 과정의 방향성과 관련된 엔트로피의 증가 법칙으로 이를 정량화하는 상태량이 엔트로피이다.
열역학 제2법칙은 엔트로피 증가의 법칙이므로 이를 나타내는 상태량은 엔트로피이다.
기체가 가역 단열 팽창할 때와 가역 등 온팽창할 때 내부에너지의 감소량은?
정답 ④ · 열역학 제1법칙에 따르면 내부에너지는 온도의 함수입니다. 가역 등온 팽창 과정에서는 온도가 일정하게 유지되므로 내부에너지의 변화량(감소량)은 0입니다.
이상기체 내부에너지는 온도의 함수이므로 등온팽창은 ΔU=0, 단열팽창은 ΔU<0으로 감소량이 크다.
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