증기터빈 사이클을 다룰때, 우리는 주로 엔탈피(H)에 관심이 있습니다.
그러다 보면, 유체의 속도로 인한 운동에너지(KE)와 위치에너지(PE)는 계산을 하지 않습니다.
왜 그럴까요? 아래 그림은 단순 화력발전 사이클을 계산하면서, 운동에너지와 위치에너지를 무시하고 엔탈피만으로 동력에너지를 계산한 것입니다.
아래는 터빈만 놓고 운동에너지(KE)와 위치에너지(PE)를 포함한 것과 무시했을 때의 차이를 보입니다. 그차이가 미비함을 알 수 있습니다.
그래서 엔탈피만으로 계산을 해도 공학적으로 문제가 없기 때문에 열역학에서는 운동에너지(KE)와 위치에너지(PE)를 무시하고 계산을 합니다.
열에너지가 얼마나 큰 값인지를 알 수 있는 부분이기도 합니다.
왜 엔탈피만 계산을 하는지에 대한 이유이기도 합니다.
네! 화공이 그래서 어려운 학문입니다.
발전소는 단순유체라 할 수 있는 물(증기)에 대해 다루므로, 그다지 어려움이 없습니다.
물론 그럼에도 부식과 응력에 대한 스터디는 잘 되어 있습니다.
저는 Heat Balance에 대해 말씀을 드린 것입니다.
말씀하신 것과 같은 기술에 대해 전문가들이 잘 설명하면 좋겠네요.
운동에너지와 위치에너지로 계산한 값과, 엔탈피로 계산한 값하고 왜? 차이가 발생하는 지, 이유가 궁금합니다.
위에서 설명을 드린 것은 모든 에너지 보존의 법칙에 의하면, 운동에너지도 위치에너지도 포함이 되어야 한다는 말씀입니다.
근데 열역학에서는 그 에너지들은 무시하고, 엔탈피로만 계산을 합니다.
그 이유가 열에너지에 비해 운동에너지와 위치에너지는 너무 작기 때문에 그것을 더하나 빼나 '공학적 계산'에 문제가 없으므로,
엔탈피만으로 계산을 한다고 말씀을 드린 것입니다.
이런 설명을 해주는 선생도 있지만, 그런 말이 없으면 그냥 엔탈피만 있는줄 아는데, 정확히는 운동에너지도 위치에너지도 마찰(무시)도 고려를 해야 하지만, 고려하지 않아도 문제가 없음을 설명드린 것입니다.
열에너지가 운동,위치에너지에 비해 너무 작다는 말이 무슨 말인가요? 공대다닐 때, 물리시간에 배우길, 열의 본질은 원자의 회전, 병진에 따른 운동에너지와, 원자간의 인력( 중력에 의해 위치에너지가 만들어 지듯이 원자간 인력에 의해 발생하는 포텐셜에너지의 합이 본질이라고 알고 있습니다..( 하도 오래되어서 제가 잘못 알고 있을 수도 있습니다 ) 열에너지는 위치,운동에너지와 다른 개념의 에너지인가요?
두번째 그림에서 운동에너지와 위치에너지를 포함한 W와 운동에너지와 위치에너지를 무시한 W의 차이가 별로 없다는 것입니다.
그래서 그와 같은 시스템에서는 엔탈피만으로 계산을 해도 된다는 말씀입니다.
W가 너무 크기때문에, 여기에 운동과 위치에너지를 더하거나 빼더라도 대세에는 지장이 없다는 뜻으로 이해가 됩니다. 그러면 여기서 W는 무엇인가요? 운동에너지도 아니고 위치에너지도 아닌 특별한 에너지인가요?
열에너지, 엔탈피 입니다. H = U(내부에너지) + PV(증기의 열동력 에너지)로 정의되죠.
위는 증기 랭킨사이클에 해당되며, 아래 그림은 증기터빈의 예를 든 것입니다.
기계장치의 (특히 보일러, 내연기관) 성능보증을 위한 열량계산은 위의 자료만으로도 그 원리 (엔탈피) 가 어렵지 않게 이해가 되니 다행스럽게 생각하며 감사드립니다. 그런데 기계장치의 소재 성능 평가에는 위치에너지와 운동에너지가 종종 직접 적용되니 (e.g., CVN Impact test) 이들을 간과할 수는 없겠네요.
한편, 업무 중에 자주 접하는 화공 (chemical process)의 열량 계산 (또는 그 결과 data)은 기본인 P, T, Q 외에도 많은 변수들이 (각 조성의 mol%, solubility, fugacity, exothermic & endothermic reaction, reversible & irreversible reaction, heating value, permeability, diffusivity, pH effect, catalyst effect, velocity, multi-phase, dew point, hydrolysis, several constants, 기기/line size, SOR, EOR, depressurization 등) heat & materials balance calculation에 반영되어야 하므로 기계, 재료, 금속, 부식 분야의 종사자 (본인 포함)에게는 별도의 체계적인 교육 이수*가 없는 한 그 이해와 판단에 애를 먹게 됩니다.
* 이와 관련한 쉬운 자료의 추가 공유도 언제나 큰 환영 받을 것으로 믿습니다.