액화석유가스(LPG)가 증발할 때에 흡수한 열은?
- 현열
- 잠열
- 융해열
- 화학반응열
정답과 해설 보기
정답 ② · 문제는 액체 상태의 LPG가 기체로 변할 때 흡수하는 열의 종류를 묻고 있다. 물질의 상변화(액체→기체)는 온도 변화 없이 상태만 바뀌는 과정이므로 그 과정에서 흡수되거나 방출되는 열은 잠열이다.
LPG가 증발(액체→기체 상변화)할 때 흡수하는 열은 잠열(증발잠열)이다.
개념 한 쪽
에너지관리산업기사 열관류 — 잠열과 폴리트로픽 변화
열관류는 구조물이나 설비를 통해 열이 한 쪽에서 다른 쪽으로 전달되는 총괄적 능력을 나타내는 개념이다. 열의 이동은 전도·대류·복사라는 세 가지 메커니즘으로 일어나며, 물질의 상태 변화가 동반될 때는 잠열이 관여한다. 또한 기체의 상태변화는 폴리트로픽 지수로 여러 상태를 통합적으로 나타낼 수 있다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「열관류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 잠열 정의 및 적용 | 1 | 액체↔기체 상변화에서 흡수·방출되는 열의 명칭과 정의를 가리기 |
| 증발잠열 특성과 표현 | 1 | 증발잠열의 엔탈피 차 정의와 압력에 따른 변화 방향을 묻기 |
| 폴리트로픽 지수 판별 | 1 | 주어진 n값에 따른 과정(정압·등온·단열·정적) 대응을 가리기 |
뜻
열관류율은 면적 1m², 시간 1시간, 온도차 1℃ 조건에서 통과하는 열량으로 정의하며 단위는 kcal/(m²·h·℃)로 표기된다. 열관류율 K와 면적 A, 온도차 Δθ에 의해 시간당 통과하는 열량 Q는 Q = K·A·Δθ로 표현되며, 문제 유형에서는 분모에 m²·h·℃가 모두 포함되어 있는지를 확인하면 정답을 판단하기 쉽다.
열전도는 물질이 정지 상태일 때 접촉한 분자 간의 에너지 전달을 의미한다. 고체나 정지한 유체에서 고온 분자의 진동이 인접 분자에 전해져 에너지가 이동하는 현상이 전도이다. 반면 유체가 직접 이동하면서 열을 옮기면 대류, 매개체 없이 전자기파로 전달되면 복사로 구분한다.
잠열은 온도가 변하지 않은 상태에서 물질의 상(고체·액체·기체)이 바뀔 때 드는 열이다. 예로 액체에서 기체로의 상변화는 증발잠열이며, 응고·융해·증발과 같은 과정에서만 나타난다. 증발잠열은 건포화증기와 포화액의 엔탈피 차 r = h'' - h'로 정의하며, 포화압력이나 포화온도가 높아질수록 잠열 값은 감소하여 임계점에서는 0이 된다.
폴리트로픽 변화는 PV^n = 일정이라는 식으로 여러 열과 일의 과정들을 하나의 식으로 표현한다. n 값에 따라 변화가 달라지며, n = 0이면 정압변화, n = 1이면 등온변화, n = κ(약 1.4)이면 단열변화, n = ∞이면 정적(등적)변화로 각각 대응된다. 이 네 가지 대응을 암기하면 폴리트로픽 문제를 빠르게 판별할 수 있다.
예제
얼음 제조에서 냉동기 능력을 계산하는 문제를 예로 들면 세 단계 열제거를 모두 고려해야 한다. 15℃의 물을 –15℃의 얼음으로 매시간 100kg 제조할 때 각 단계 열량은 다음과 같다. ① 15℃ 물 → 0℃ 물 : 물의 비열 4.2 kJ/kg·℃ × 15℃ = 63 kJ/kg ② 0℃ 물 → 0℃ 얼음 : 응고잠열 335 kJ/kg ③ 0℃ 얼음 → -15℃ 얼음 : 얼음의 비열 2.0 kJ/kg·℃ × 15℃ = 30 kJ/kg 세 단계 합계는 428 kJ/kg이고 매시간 100kg이면 42,800 kJ/h이다. 이를 초 단위로 환산하면 42,800 ÷ 3600 ≈ 11.9 kW로 약 12 kW의 냉동능력이 필요하다.
또한 증발잠열의 정의를 활용하면 습포화증기의 엔탈피를 포화수 엔탈피와 건도 및 잠열로 표현할 수 있다. 건도 x, 포화수 엔탈피 h, 증발잠열 γ일 때 습증기 엔탈피는 h'' = h + γx가 성립한다.
대표 기출 3문항
수증기의 증발잠열에 대한 설명으로 옳은 것은?
- 포화온도가 감소하면 감소한다.
- 포화압력이 증가하면 증가한다.
- 건포화증기와 포화액의 엔탈피 차이다.
- 약 540kcal/kg(2257 kJ/kg)으로 항상 일정하다.
정답과 해설 보기
정답 ③ · 문항은 수증기의 증발잠열의 정의를 묻고 있다. 증발잠열은 같은 압력에서 건포화증기 엔탈피와 포화액(포화수) 엔탈피의 차이로 정의되며 즉 r = h'' − h' 이다.
증발잠열은 같은 압력에서 건포화증기 엔탈피와 포화수 엔탈피의 차(h''-h')이며, 압력이 높을수록 작아진다.
폴리트로픽지수 n의 값이 특정 값을 가질 때 상태변화가 된다. 다음 중 옳은 것은?
- n = 0 일 때 등온변화
- n = 1 일 때 정압변화
- n = ∞ 일 때 정적변화
- n = 0.5 일 때 단열변화
정답과 해설 보기
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.
자주 묻는 물음
- 열관류율의 단위는 어떻게 확인하나요?
- 열관류율은 면적 1m², 시간 1시간, 온도차 1℃ 조건에서 통과하는 열량으로 정의되므로 단위는 kcal/(m²·h·℃)로 표기한다.
- 상변화에서 '잠열'과 '현열'을 어떻게 구별하나요?
- 온도가 일정한 채 상태만 변하는 과정이 잠열이고(예: 융해, 증발), 온도가 변하는 과정은 현열이다. 문제에서 온도가 같은지 확인하면 판별이 쉽다.
- 폴리트로픽지수 n의 대표 값과 대응 변화는 무엇인가요?
- PV^n = 일정에서 n=0은 정압, n=1은 등온, n=κ(≈1.4)은 단열, n=∞은 정적(등적) 변화로 대응한다.
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