단열압축

단열압축의 정의

단열압축은 열 출입 없이 기체를 압축하여 온도가 오르는 현상이다.

이 온도 상승분을 압축열이라 부르며, 열이 들어온 것이 아니라 일이 저장된 것이다.

열이 빠져나갈 틈이 없으므로 압축에 든 에너지가 기체 안에 남는다.

이 온도가 자기발화온도에 닿으면 점화원 없이도 발화가 일어난다.

에너지 흐름과 원리

가해진 일은 열 출입이 없으므로 내부 에너지 증가로 남는다.

열역학 제1법칙에서 Q는 0이므로 ΔU는 -W가 된다.

압축에서는 외부가 일을 하므로 W가 음수이고, ΔU는 양수가 된다.

이상기체의 내부 에너지는 온도에 비례하므로 온도가 오른다.

온도 계산

단열 관계식은 절대온도와 절대압력으로 계산한다.

비열비 k는 정압비열과 정적비열의 비이며, 공기처럼 이상기체로 볼 수 있는 기체에 적용한다.

예로 25°C, 1기압의 기체를 20기압으로 압축하고, k는 1.4로 둔다.

지수는 (1.4-1)/1.4 = 0.2857이고, 이를 대입하면 온도가 나온다.

결과는 701.7 K이며, 273.15를 빼면 약 429°C다.

발화로 이어지는 경로

앞 문제의 정답은 298.15K다. 섭씨 25도에 273.15를 더한 값이다.

단열압축이 발화로 이어지는 경로는 여러 유형으로 나뉜다.

압축기에서는 압축열로 윤활유가 열분해되어 저온 발화물이 생길 수 있다.

가솔린 기관의 노킹과 산소 설비의 급속 가압도 단열압축 열로 설명된다.

디젤 기관은 같은 원리를 발화에 의도적으로 활용하는 예다.

시험 포인트 정리

단열압축은 열 출입 없이 기체를 압축해 온도가 오르는 현상이다.

답안 첫 줄에는 정의를, 본문에는 열출입 차단, 압축열, 자기발화온도를 쓴다.

계산에서는 절대온도로 바꾼 뒤 비열비 지수를 적용하고, 마지막에 섭씨로 환산한다.

정리하면 냉각과 완만한 가압으로 압축열을 빼내는 것이 발화 방지의 핵심이다.