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제목: 열역학 사이클과 태극 순환

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    열역학 사이클과 태극 순환

    한국순환학회, 인아랑, 순환법칙, 사상물리학/화학

    https://m.blog.naver.com/PostView.nh...202&navType=tl


    열역학사이클(thermodynamic cycle)은 기체가 단편적인 일(W)이 아닌 실제의 자연과 기관(엔진)들은 피스톤이 반복적인 일을 하므로써 사실상 열역학적 사이클(순환) 과정을 이루게 됩니다. 따라서 압력(P)과 부피(V)의 관계 그래프에서 어떠한 영역을 차지하며(나타내며) 순환적인 일을 합니다.다음은 열역학사이클에서 일(W)의 관계를 나타냅니다.



    위의 공식은 압력과 부피의 관계에서 폐쇄된 회로(엔진 등)의 순환적인 일을 나타내며, 넓이는 일의 크기가 됩니다.



    위와 같은 W(일) = Q(열량)의 관계는 등온과정과 유사한 순환과정을 만듭니다. 순환 과정이 진행되는 동안 내부 에너지가 변하더라도 순환 과정이 종료되면 그 과정이 시작될 때 가졌던 에너지와 동일합니다. 순환 과정이 루프 주위로 시계방향으로 움직이면 W이 양성이 되며, 이것은 엔진과 같은 열엔진(heat engine)을 나타냅니다. 만약 시계 반대방향으로 움직이면 W은 음성이 되고, 이것은 냉장고와 같은 히트펌프(heat pump)를 나타냅니다.


    <위에 W1→2에서 negative로 나와있지만 등온과정에서 기체가 팽창할때는 일을 하므로 positive가 맞다. 따라서 W3→4는 negative이다.>




    <스털링 엔진>


    스털링엔진은 고온과 저온이 90°의 위상차를 가지고, 가열→팽창→냉각→압축의 작동 사이클을 가집니다. 이것은 균일한 자기장 속에서 코일이 회전함으로써 90°의 위상차마다 자기력선속과 유도기전력이 발생하며 교류가 생성되는 발전기와 유사한 매커니즘입니다. 이것을 합치게되면 열전대 발전처럼 고온과 저온의 열의 흐름을 통해 전류가 발생됩니다. 4계절의 변화도 에너지를 스스로 생성하고 소비하는 지구적인 열역학적 과정입니다. 이로인해 자연의 생성과 소멸은 우리가 아는한 반복됩니다. 만약 이처럼 고온부와 저온부의 대칭적인 작용을 통하여 현상이 발생하고 이때 외력이 발생하지 않는다면 이론적으로 엔트로피 변화가 없는 영구기관입니다. 따라서 4계절의 변화(지구의 자전을 포함)는 누가 에너지를 제공하지 않아도 알아서 작동하는 우리가 아는한 영구기관입니다.




    위의 과정과 PV 그래프는 이상적인 스털링 엔진의 열역학적인 과정을 나타냅니다.



    W2→3W4→1에서 부피의 변화가 없어서 일이 없으므로, (3)의 과정(방정식)을 요약하면 위와 같습니다.



    위의 그래프에서 실제 순 일(W, net work)은 a 팽창으로 인해 수행된 일에 대한 리만적분의 합(빗살 영역)이기 때문에, b에서 다시 압축하며 수행된 일을 뺀값으로써 원을 그리는 내부 면적과 동일합니다. 따라서 총 일에서 붉은부분의 에너지 손실분을 뺀 나머지 원형의 면적이 이용가능한 일(에너지)입니다. 순환과정에서의 일은 팽창(a) 뿐만아니라 압축(b)이라는 과정이 존재하기 때문에 에너지 손실 영역은 빼거나 무시해야하며 원형의 영역 자체가 일이 됩니다.



    P-V 그래프와 T-S 그래프는 호환적인 관계입니다. 위의 실제적인 기관의 T-S 그래프에서 흰색영역은 시스템이 주변 환경과 교환하는 일(에너지)의 양이고, 적색영역은 시스템과 저온 저장장치간에 교환되는 일(에너지)의 양입니다. 순환과정에서의 열효율(ηth, thermal efficiency)은 흰색영역(일)을 흰색영역과 적색영역의 합 (총 열)으로 나눈 비율입니다.

    열효율은 공급된 열(QH)에는 반비례하지만 일(W)과는 비례합니다. 만약 QC가 0이라면 열효율은 1 또는 100% 입니다.




    위의 과정은 가스 터빈엔진 등의 열역학적 과정인 브레이턴 사이클로써, 이상적인 브레이턴 사이클에 입각한 실제적인 브레이턴 사이클의 열역학적 과정입니다.




    위의 그래프와 표는 다양한 열기관들의 열역학적 과정으로써, 열기관들은 물리적 특성이 다르기 때문에 일률적이지 않습니다. 등엔트로피(isentropic) 과정은 열역학에서 엔트로피가 일정하게 유지되는 과정입니다. 등엔트로피 과정은 가상적인 이상 과정으로써 카르노 기관이 여기에 해당됩니다. 단열(adiabatic) 과정이 계의 마찰이 없고, 열전달이나 물질 전달이 없으며, 과정이 가역적이면 등엔트로피 과정이 될 수 있습니다. 가솔린 엔진의 작동 원리와 같은 오토(otto) 기관도 등엔트로피 과정을 가지는 이상적인 과정으로써 카르노 기관과의 차이점은 등적과정과 등온과정으로써, 등온과정을 가지는 카르노기관은 모든 과정에서 일을 합니다.




    위의 과정은 카르노 기관의 열역학적인 과정입니다. 단열팽창으로써 열(Q)의 출입을 차단하고, 등온과정으로써 모든 열(Q)이 일(W)로 전환되는 이러한 과정은 가장 이상적인 기관(가장 열효율이 높다)으로써, 실제기관이 이러한 열역학적 과정 또는 그래프를 가질 수는 없습니다. 카르노 기관은 아니지만 나름대로의 열역학적인 과정을 만족시키는 기관은 이상적인 기관이 될 수 있습니다.



    위의 그래프는 스털링엔진을 열기관 또는 히트펌프로 사용할때, 열(heat)과 냉(cold)의 관계를 파동의 형태로 표현한 것입니다. 카르노 열기관 사이클은 완전히 되돌릴 수 있는 과정입니다. 이것을 구성하는 모든 과정이 역전될 수 있는 것이고, 이렇게되면 카르노 냉동 사이클(히트펌프)이 됩니다. 열과 일의 상호작용 방향이 역전된다는 점을 제외하고 주기는 정확히 동일합니다.


    <오른쪽은 카르노기관으로써 한사이클 회전에서 전체 엔트로피(S)의 변화가 0이다>

    위의 그래프는 실제기관(왼쪽)과 카르노기관(오른쪽)의 T-S 그래프입니다. 실제기관의 엔트로피(S)는 온도에 따라 변합니다(비가역적이며 에너지보존법칙이 성립안함). 따라서 직선이 아니라 곡선으로 표시됩니다. 따라서 이상기관이 오른쪽과 같은 직선의 사각형이라면 실제기관은 찌그러진 사각형이나 원형모양의 왜곡된 사이클을 가집니다. 그래프에서 산이나 종모양의 전체적인 곡선은 기체-액체 평형을 나타냅니다. 액체는 외부 열원에 의해 일정한 압력으로 가열되어 건조한 포화 증기가 되는데, 카르노기관은 단열과정으로써 외부와 열교환없이 온도 및 압력이 증감하며 변화합니다. 따라서 상변화가 없이 응축됩니다. 이러한 실제기관의 비가역성과 마찰과 열에 의한 에너지 손실은 이상적인 카르노 기관이 되는 것을 방해합니다. 어떠한 열역학 기관이던지 물리적으로 자신만의 이론적이며 이상적인(교과서적인) 열역학적인 사이클이 있는데(P-V 또는 T-S 그래프의 모양), 실제기관들은 이러한 사이클의 변형을 유발함(압력과 부피와 관계 또는 온도와 엔트로피의 교과서적인 관계를 유지하기 못하기 때문)으로써 완벽히 되돌릴 수 있는 등엔트로피기관이 되지 못하여, 압력 및 에너지 손실 그리고 열효율을 떨어뜨립니다.




    위의 그래프는 실제기체 또는 실제기관의 온도에 따른 P-V 그래프의 변화입니다. 온도가 높을때에는 이상기체에 가까운 등온과정을 나타내지만, 온도가 낮아지게 되면 즉, 임계온도 30.95℃이하(C는 임계점)에서는 액체 또는 액체-기체 상태의 상변화가 나타나고 그래프의 왜곡이 나타납니다. 이상기체 또는 이상적인 기관은 상변화에 상관없이 온도가 변해도 일정한 형태의 그래프를 나타냅니다.



    발전기와 LC회로 등에 의한 교류와 전자기파의 생성 과정은 전자기학적인 엔진이기도 합니다.


    <일이 0이더라도 내부에너지가 변화하여 온도가 변화한다. 이러한 일이 0인 온도의 변화는 일을 하기 위한 준비 과정이기도 하다.>

    위의 과정은 스털링엔진의 열역학적 과정으로써 4가지 열역학적 단계는 완벽한 대칭시스템을 이루고 있습니다. 이는 운동에너지와 위치에너지가 상호 증감하며 평형을 이루는 역학적 에너지 보존과 같습니다. 이러한 조화진동(harmonic oscillator)을 통해 이들은 동등한 계임을 나타냅니다.




    위의 식은 물리학의 가장 기본인 뉴턴의 운동법칙이며, F = -kx 라는 단순조화진동을 나타내는 식이기도 합니다. 물리학의 시작이며 가장 먼저 등장하는 것이 뉴턴의 운동법칙이지만, 여기에도 사상태극의 원리는 들어갑니다. 따라서 사상물리학(四象物理學)에서는 태극 사상(4 status of taegeuk)이 가장 먼저 등장합니다.



    사상시스템(四象 system)과 기존 물리학의 공통점과 차이점에서, 차이점은 고전역학, 전자기학, 열역학, 양자역학 등 범주의 구분이 없습니다. 이들은 사상시스템이라는 범주안에 모두 같은 현상 입니다. 이러한 학문적인 구분은 사람이 한 것이지 자연적으로 구분된 것은 아닙니다. 오히려 구분없이 하나로 묶는 것이 자연적인 것입니다(어쩌면 구분과 통합, 이 두가지는 모두 필요). 따라서 고전역학, 전자기학, 열역학 등은 사상시스템으로 융합됩니다. 이로써 물리학은 사상 태극(四象 太極)이라는 자연을 바라보는 새로운 눈(vision, 시야)을 가지게 되었습니다.위의 그림은 사상 시스템(四象 system)들의 동질성을 나타냅니다. 4가지 상태는 3가지이하로 줄일 수 없는 물리적으로 완전히 구별되는 특징(특성)이 있습니다. 이것은 물리시스템들의 대표적인 일부일뿐 더 많이 나열 가능합니다. 물리 시스템에서 사상시스템의 주요 특징은 파동(파장)처럼 끝임없이 진동 또는 순환을 하고 있으며, 한쪽이 커지면 다른쪽은 작아지고, 하지만 어떤 것이 극단에 달하면 반드시 반대가 되려는 성질을 가집니다. 이들 시스템의 특징은 외부의 힘(외력)이 존재하지 않는다면, 이론적으로 끊임없이 진동합니다. 왜냐하면 서로는 서로에게 원인이며 결과이고 또한 대칭성을 가지고 있어서 서로 맞물린 이해타산적인 관계이기 때문입니다. 따라서 시스템은 한쪽이 다른쪽을 배척(지배)하려하지만, 한쪽이 깨지면 다른쪽도 존재할 수 없습니다. 결국 스스로 또는 시스템들끼리 에너지를 주고 받으며 원인과 결과를 창출하는 시스템 매커니즘입니다.<그림출처 및 참고문헌>

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