엔탈피와 엔트로피

정의

엔탈피와 엔트로피는 냉동사이클을 해석하는 두 가지 상태량이다.

엔탈피는 내부에너지에 압력과 부피의 곱을 더한 값이다. 단위는 J이다.

엔트로피는 가역과정에서 받은 열량을 절대온도로 나눈 값이다.

엔탈피와 정압 과정

엔탈피는 정압 과정에서 계가 받은 열량과 같다.

증발기와 응축기는 거의 일정한 압력에서 작동한다. 그래서 엔탈피 차로 열량을 구한다.

교축밸브는 외부와 열과 일을 주고받지 않으므로 등엔탈피 과정이다.

따라서 팽창밸브 전후의 엔탈피는 같다고 본다.

엔트로피와 제2법칙

엔트로피는 가역과정에서 받은 열량 δQ를 절대온도 T로 나눈 상태량이다.

같은 열량이라도 낮은 온도에 주면 엔트로피 변화가 커진다.

고립계의 엔트로피는 감소하지 않는다. 이것이 열역학 제2법칙이다.

엔트로피를 무질서도로만 설명하면 감점된다. 열의 질과 가역성으로 설명한다.

냉동사이클 과정 비교

냉동사이클의 네 과정을 엔탈피와 엔트로피 변화로 정리하면 이렇다.

압축 과정은 이상적으로 등엔트로피다. 실제 압축기에서는 엔트로피가 증가한다.

등압 응축은 엔탈피와 엔트로피가 모두 감소한다.

교축 과정은 엔탈피가 일정하고, 엔트로피는 증가한다. 손실의 원인이다.

냉동사이클 계산

압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 거쳐 냉매가 다시 압축기로 돌아온다.

냉동효과는 증발기 출구와 입구의 엔탈피 차다. 압축일은 압축기 출구와 입구의 차다.

예제 값을 대입하면 냉동효과와 압축일은 모두 300kJ/kg이다.

따라서 성능계수 COP는 1.0이다. 결과는 상식 범위 안이다.

헷갈리는 점과 직접 풀기

교축 과정은 등엔탈피 과정이지 등온 과정이 아니다.

교축 과정은 열과 일의 출입이 없어 엔탈피가 일정하다. 직접 풀어 보자.

정답과 핵심 정리

정답은 240 kJ/kg이다. 교축 후 엔탈피는 변하지 않는다.

엔탈피는 정압 과정의 열량, 엔트로피는 가역과정의 열량을 온도로 나눈 값이다.

시험에서는 정의와 두 상태량의 차이를 묻는 문제가 반복된다.

냉동사이클에서는 엔탈피로 열량을, 엔트로피로 비가역 손실을 본다.