습공기 엔탈피

왜 배우는가: 습공기 엔탈피는 공조 부하 계산의 기준량이라서 냉난방 설계와 공기선도 해석에 매번 쓰인다. 온도만으로는 열량을 알 수 없고 습도를 함께 봐야 하므로 시험에서 정의, 식 유도, 수치 계산이 함께 반복해서 나온다.

출제 이력: 제114회 1교시 6번, 제113회 1교시 3번, 제95회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 습공기 엔탈피는 건공기와 수증기가 가진 엔탈피의 합으로, 건공기 1kg당 습공기가 가진 총열량(kJ/kg)이다.

핵심 키워드

• 습공기 엔탈피: 건공기와 수증기 엔탈피의 합
• 건공기 엔탈피: 온도 변화로 나타나는 현열 성분
• 수증기 엔탈피: 수증기의 현열과 증발잠열의 합
• 절대습도: 건공기 1kg에 포함된 수증기 질량(kg/kg(DA))
• 현열과 잠열: 온도 변화로 나타나는 열과 상변화로 나타나는 열
• 기준 온도: 건공기 0℃, 물 0℃ 액체의 엔탈피를 0으로 둠

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 습공기 엔탈피는 공기가 몸속에 머금은 열의 총량이다. 공기를 데우면 온도만 오르는 것이 아니라 공기에 섞인 수증기도 열을 함께 가져간다. 그래서 같은 온도라도 습도가 높으면 엔탈피가 커진다.

정식 정의는 다음과 같다. 습공기 엔탈피 h는 건공기 1kg을 기준으로 한 건공기 엔탈피와 여기 섞인 수증기 엔탈피의 합이다. 단위는 J/kg 또는 kJ/kg(DA)를 쓴다.

$h = c_p t + w\,h_v$

$h_v = r_0 + c_{pv}\,t$

각 기호의 뜻과 단위는 다음과 같다.

• h: 습공기 비엔탈피(J/kg)
• c_p: 건공기 정압비열(J/kg·K), 문항 제시값 1.01kJ/kg·K
• t: 건구온도(℃)
• w: 절대습도(kgv/kg), 건공기 1kg에 대한 수증기 질량
• h_v: 수증기 비엔탈피(J/kg)
• r_0: 0℃에서 물의 증발잠열(J/kg), 문항 제시값 2501kJ/kg
• c_{pv}: 수증기 정압비열(J/kg·K), 문항 제시값 1.85kJ/kg·K

첫째 항 c_p t는 건공기의 현열이다. 온도가 1℃ 오를 때 건공기 1kg이 흡수하는 열량이다. 둘째 항 w\,h_v는 수증기가 가진 엔탈피에 수증기 양을 곱한 값이다. 수증기 엔탈피 h_v는 0℃ 물의 증발잠열 r_0와 수증기 현열 c_{pv}t의 합이다. 즉 수증기 한 덩어리는 잠열과 현열을 함께 가진다.

여기서 기준 온도가 중요하다. 건공기는 0℃에서 엔탈피를 0으로 두고, 물은 0℃ 액체에서 엔탈피를 0으로 둔다. 이 기준을 바꾸면 h의 절댓값이 달라진다. 답안에는 어떤 기준을 썼는지 한 줄로 밝혀야 채점 시 혼동이 없다.

계산 결과를 해석하는 방법도 알아 두어야 한다. 엔탈피 변화량 \Delta h는 공기가 얻거나 잃은 열량이다. 습도가 변하지 않는 가열 과정이면 \Delta h = c_p\,\Delta t만큼 현열만 변한다. 가습이나 냉각 제습처럼 w가 변하면 잠열 성분 w\,h_v의 변화도 함께 계산해야 한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 현열(sensible heat): 온도 변화로 나타나는 열이다. 건공기 현열은 c_p t로 쓴다.
• 잠열(latent heat): 상변화로 나타나는 열이다. 수증기 잠열은 r_0 w로 쓴다.
• 비엔탈피(specific enthalpy): 단위 질량당 엔탈피다. 습공기에서는 건공기 1kg 기준을 쓴다.