열기관 Heat engine
열기관은 뜨거운 공간에서 찬 공간으로 에너지를 이동시키면서 작동하는 기계를 말합니다. 이 과정에서 열기관은 열 에너지의 일부를 역학적 에너지로 전환합니다.
모든 열기관은 일련의 상태를 거친 후 원래의 상태로 되돌아옵니다. 이 사이클을 한바퀴 도는 동안 열기관은 외부에 일을 합니다.
자동차의 엔진과 같이 열에너지를 이용하여 움직이는 모든 기계는 열기관입니다.
에어컨과 같이 가역적으로 작동되는 열기관도 있습니다. 즉, 에어컨은 외부에서 일을 하면 열 에너지를 이동시켜 줍니다.
카르노 기관 A Carnot engine
카르노 기관은 가역적인 카르노 사이클을 기반으로 하는 열기관의 한 종류입니다. 이 기관의 기본 모델은 1824년 프랑스의 공학자 니콜라 레오나르 사디 카르노가 고안하였습니다.
카르노 기관은 단원자분자 이상기체가 들어있는 저장체와 마찰이 없이 자유롭게 움직일 수 있는 피스톤, 그리고 가열과 냉각이 자유로운 부분으로 구성됩니다.
내부의 기체는 팽창하면서 외부에 일을 할 수도 있고, 반대로 외부에서 일을 해주면 압축될 수도 있습니다.
결과적으로는 기체가 팽창하면서 한 일의 양이, 압축되면서 받는 일의 양보다 많기 때문에, 전체적으로 일을 한 것이 됩니다.
카르노 기관의 작동 사이클
- 등온 팽창 - 고온으로 유지되는 열저장체에서 기체가 열을 흡수합니다.
- 단열 팽창 - 기체가 팽창되면서 온도가 낮아집니다.
- 등온 압축 - 저온으로 유지되는 열저장체에서 기체가 열을 버립니다.
- 단열 압축 - 기체가 압축되면서 온도가 올라갑니다.
카르노 기관의 의미
카르노 기관은 이상적인 열기관의 한 종류로서, 실제로 이러한 기관은 존재할 수 없습니다. 각각의 과정이 가역적이라고 하더라도, 작동 과정중 일어나는 마찰에 의해 비가역적인 과정이 되어 버리기 때문입니다. 또한 단열 팽창 및 단열 압축되는 과정도 실제로는 일어날 수 없습니다. 외부와의 열이 완전히 차단되는 물질이 존재하지 않기 때문입니다.
결국 카르노 기관의 의미는 물리적으로 가능한 최고 효율의 열기관이라는 것 정도입니다.
열기관의 효율
열기관이 받은 열 에너지를 100% 역학적 에너지로 전환하기 위해서는 열을 버릴 때 절대 영도(0K)로 버려야 합니다. 그런데 이처럼 낮은 온도는 실제로 가능하지 않습니다.
카르노 기관이 이론상으로 가장 높은 효율의 열기관이라 하더라도 받은 열 에너지를 100% 역학적 에너지로 전환시킬 수 없습니다. 따라서 일반적인 열기관의 효율은 이보다 더 낮습니다.