에너지 및 엔탈피의 이해와 공조냉동 분야 적용
1) 운동 에너지 공식 유도
운동 에너지(Kinetic Energy, KE)는 움직이는 물체가 가지는 에너지입니다. 질량이 인 물체가 속도 로 운동할 때, 운동 에너지는 다음과 같이 주어집니다.
유도:
운동 에너지 공식은 일-에너지 정리(Work-Energy Theorem)를 이용하여 유도할 수 있습니다. 일-에너지 정리는 물체에 가해진 알짜힘이 한 일은 물체의 운동 에너지 변화량과 같다는 정리입니다.
물체에 일정한 알짜힘 가 작용하여 변위 만큼 이동하고 속도가 에서 로 변했다고 가정합니다. 이때 알짜힘이 한 일 는 다음과 같습니다.
뉴턴의 제2법칙에 따라 이므로,
등가속도 직선 운동에서 속도와 변위의 관계는 입니다. 이를 에 대해 정리하면 가 됩니다. 이 값을 일의 식에 대입하면:
일-에너지 정리에 따라 이 일은 운동 에너지의 변화량과 같으므로:
따라서,
이 성립합니다. 초기 속도 일 때 운동 에너지 이므로, 속도 에서의 운동 에너지는 다음과 같이 정의됩니다.
2) 위치 에너지 공식 유도
위치 에너지(Potential Energy, PE)는 물체가 중력장 내에서 위치 때문에 가지는 에너지입니다. 질량이 인 물체가 기준면으로부터 높이 에 있을 때, 중력 위치 에너지는 다음과 같이 주어집니다.
유도:
중력 위치 에너지는 중력에 대해 일을 해준 만큼 저장되는 에너지로 생각할 수 있습니다. 질량 인 물체를 중력 가속도 가 작용하는 중력장 내에서 기준면으로부터 높이 까지 들어 올리는 데 필요한 최소한의 힘은 중력의 크기와 같은 입니다. 이때 힘의 방향과 변위의 방향이 같으므로, 이 힘이 물체에 한 일 는 다음과 같습니다.
이 일은 물체의 위치 에너지 증가량과 같습니다. 기준면에서의 위치 에너지를 0이라고 하면, 높이 에서의 위치 에너지는 이 일의 양과 같으므로:
3) 엔탈피의 정의
엔탈피(Enthalpy, )는 열역학 시스템의 총 에너지 상태를 나타내는 열역학적 상태량 중 하나입니다. 특히 유체가 흐르는 개방 시스템(Open System)이나 일정한 압력 하에서의 과정 분석에 유용합니다. 엔탈피는 시스템의 내부 에너지(Internal Energy, )와 시스템의 압력() 및 부피()의 곱(PV)의 합으로 정의됩니다.
단위 질량당 엔탈피(비엔탈피, specific enthalpy, )는 다음과 같이 정의됩니다.
여기서 는 단위 질량당 내부 에너지(비내부 에너지), 는 단위 질량당 부피(비체적)입니다.
엔탈피는 시스템이 가지는 내부에너지와 경계를 넘어 유체가 흐르면서 수반되는 에너지(유동 일, Flow Work 또는 PV 일)를 합친 개념입니다. 압력이 일정한 과정에서 시스템이 흡수하거나 방출하는 열량은 엔탈피 변화량과 같습니다.
4) 엔탈피가 공조냉동기계 분야에 적용된 사례
엔탈피는 공조 및 냉동 시스템의 설계, 분석, 운전 및 성능 평가에 있어 핵심적인 개념으로 광범위하게 적용됩니다. 주요 적용 사례는 다음과 같습니다.
- 냉동 사이클 분석: 증기 압축 냉동 사이클을 구성하는 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 증발기와 같은 주요 장치들에서의 냉매 상태 변화와 에너지 출입을 분석하는 데 엔탈피가 사용됩니다.
- 증발기: 증발기에서 냉매가 주변으로부터 흡수하는 열량(냉각 용량)은 냉매의 질량 유량과 증발기 입출구에서의 비엔탈피 차이의 곱으로 계산됩니다.
- 응축기: 응축기에서 냉매가 외부로 방출하는 열량은 냉매의 질량 유량과 응축기 입출구에서의 비엔탈피 차이의 곱으로 계산됩니다.
- 압축기: 압축기가 냉매에 전달하는 동력은 냉매의 질량 유량과 압축기 입출구에서의 비엔탈피 차이의 곱으로 계산됩니다 (단열 압축 가정 시).
- 팽창 밸브: 이상적인 팽창 과정은 등엔탈피 과정으로 간주되며, 팽창 밸브 입출구에서의 엔탈피는 같습니다.
- 습공기 상태 변화 과정 분석: 공조 시스템에서 공기의 가열, 냉각, 가습, 제습 등 다양한 상태 변화 과정을 습공기선도 상에서 엔탈피 변화를 이용하여 분석하고 계산합니다.
- 가열 또는 냉각 코일: 코일을 통과하는 공기의 엔탈피 변화와 공기 질량 유량을 통해 가열 또는 냉각 용량을 계산합니다.
- 가습기: 가습 과정에서 공기의 엔탈피 변화와 수증기 추가량을 엔탈피 관계식으로 분석합니다.
- 열 및 물질 평형: 공조 시스템의 각 장치 및 전체 시스템에 대한 열 및 물질 평형을 수립하고 해석할 때 엔탈피 개념이 필수적으로 사용됩니다. 혼합 과정에서도 질량 및 에너지 보존 법칙에 따라 엔탈피 관계식이 성립합니다.
- 성능 계수 (COP) 계산: 냉동 사이클의 성능을 나타내는 성능 계수(COP)는 냉각 용량과 압축기 소요 동력의 비로 정의되며, 이들 값은 엔탈피를 이용하여 계산됩니다.
엔탈피는 공조 및 냉동 시스템에서 에너지 전달 및 변환 과정을 이해하고 정량적으로 분석하는 데 없어서는 안 될 중요한 열역학적 상태량입니다.