잠열 [latent heat]과 현열 [sensible heat]

잠열, 숨은열 [latent heat]

잠열 ====> 네이버 사전

** 잠열 **
물질에 열을 가했을때 온도가 변하지 않을 경우에는 물질의 상이 변한다. 이와같이 물질의 상태 변화에 관여하는
열을 잠열이라고 하고 온도계에는 나타나지 않는다.
단위는 [kcal/kg]

열량, 잠열, 질량의 관계는 다음과 같다.
                             Q                     Q
Q = m * r        m =   ---             r =  ---
                              r                     m
여기서
Q = 열량 (kcal)
m = 질량 (kg)
r = 잠열 (kcal/kg)

잠열의 종류

1. 융해열 [latent heat of fusion]

융해열 =====> 네이버 사전

얼음이 물로 변하는 것과 같이 고체가 액체로 변화하는데 소요되는 열을 융해잠열 또는 융해열이라 한다.
   다시말해 고체가 액체로 융해할때 주위에서 빼았는 열량을 말한다.

   예을 들어 0℃의 얼음이 0℃의 물로 될때는 약 79.68 kcal/kg의 잠열이 흡수한다.

2. 응고열 [latent heat of solidification]

응고열 =====> 네이버 사전

융해열과는 반대로 액체가 고체로 될 때 관여하는 열량을 말한다.

   예을 들어 0℃의 물이 0℃의 얼음으로 될때는 약 79.68 kcal/kg의 잠열이 방출한다.

3. 증발열 [latent heat of vaporization]

증발열=====> 네이버 사전

일정 압력하에서 1kg의 액체를 같은 온도, 즉 포화온도의 증기로 만드는 데 필요한 열량을 증발잠열 또는 증발열이라 한다.
   다시말해 액체가 증발 (기화) 될때 주위로 부터 흡수하는 열량을 말한다.

   예를 들어 100℃의 물이 100℃의 증기로 될 때에는 약 539 kcal/kg의 잠열을 흡수한다.

4. 응축열 [latent heat of condensation]

응축열=====> 네이버 사전

증발열과는 반대로 기체에서 액체로 응축될 때 관여하는 열량이다.

   예를 들어 100℃의 증기가 100℃의 물로 될 때에는 약 539 kcal/kg의 잠열을 방출한다.

5. 승화열 [heat of sublimation]

승화열=====> 네이버 사전

 드라이아이스가 승화할 때와 같이 고체가 승화하여 기체로 되면서 주위에서 빼앗는 열량을 말한다.
    승화가 일어나기 위해서는 외부에서 열을 공급받아야 한다. 그이유는 고체보다 기체가 에너지를 더 많이 가지기 때문이다.
    이렇게 승화가 일어날 때 출입하는 여을 승화열이라고 한다.
    승화는 어느 경우에나 열을 흡수하는 흡열반응이다. 또한 승화열에는 현열과 잠열이 동시에 관여한다.

현열 [sensible heat]
물질을 가열하여 상태변화 없이 온도만 변하는데 소요되는 열량을 말한다.
즉 물질에 열을 가했을 때 온도차가 발생시키는 열을 말한다.
단위는 열량의 단위와 같다. [kcal]
열량, 잠열, 질량의 관계는 다음과 같다.
                            
Q = m * C * △t
                             
여기서
Q = 현열량 (kcal)
m = 질량 (kg)
C = 비열 (kcal/kg*℃)
△t = 온도차 (℃)

압력 [壓力, pressure]의 정의 및 압력의 종류

압력의 정의
- 압력은 임의의 면에 수직으로 작용하는 유체에 의한 단위 면적당의 힘의 크기를 말한다.
   즉, 어떤 면적 A (mm^2)에 작용하는 힘 F 라고 했을때 압력 P는 다음과 같다.
          F
  P =  -- (kgf/mm^2)
         A
압력의 단위
-압력의 단위는 일반적으로 kgf/cm^2, mmAg, mmHg 등이 쓰이며, SI 단위에는 bar, N/m^2, pa등이
 쓰인다.
 또한 우리가 흔히쓰는 중력단위계에서 압력을 표현할때 kg/cm^2으로 표현하는데 이것은
 틀린 표현이다. 정확한 표현은 kgf/cm^2으로 거저 관습적으로 kg/cm^2을 사용하는 것이다.
 압력읜 단위가 kgf/cm^2인것은 압력이 단위면적당 받는 질량이 아니라 힘 (f, 중력가속도)
 이기 때문이다.

 ** 압력의 종류 **
 - 표준 대기압 : 쉽게말해 지구상의 대기(공기)의 압력을 말한다.
                      지구의 중력이 g=9.80665 m/s² 이고 0℃에서 수은주를 760mm만큼 밀어 올릴수
                      있는 대기의 압력을 말하며 1 표준 대기압을 1atm (atmosphere)로 쓴다.
                      또한 압력은 수주의 높이로 표시하며, 기호로는 Aq (aqua)를 사용하는데
                      수은주 (mmHg)와 수주 (mmAq)등은 기상예보같이 미약한 압력을 나타낼때
                       사용한다.

1atm (대기압) = 760mmHg = 1.0332kgf/cm² = 10.332mmAq = 1013.25mbar

 -계기압력 (게이지압) : 대기압의 상태를 0으로 놓고 측정한 압력을 말하며 압력단위 뒤에
                                 게이지를 뜻하는 g를 붙인다. kgf/cm²g
                                 따라서 표준대기압 하에서는 압력이 0 kgf/cm²g 이 된다.
 -절대압력 : 대기가 전혀없는 완전진공에서 측정한 압력
                  압력단위 뒤에 "a (absolute)"를 붙여쓴다. kgf/cm²a
                  관습적으로 사용하는 kgf/cm² 또한 절대압력으로 본다.
                  절대압력 = 대기압 + 게이지압이 성립한다.

절대압력, 대기압, 게이지압의 관계

 ** 표준대기압보다 낮은 압력을 진공 (vaccum)이라 하며, 진공의 정도를 나타내는 값으로 진공
     도를 사용하는데 완전진공은 진공도 100%이고, 표준대기압은 진공도 0%이다.**

보일과 샤를의 법칙간 관계

일정량의 기체 부피는 압력에 반비례하고 온도 (절대온도)에 비례한다.

 PV                                    T
---- = C,               V = C *  --
  T                                     P
여기서
P = 압력 (atm)
V = 체적 (L)
T = 온도 (°K)
C = 비례상수 / 하단을 볼것.

**공기를 압축기로 압축하면 체적은 감소하고 압력은 상승, 온도는 증가한다.
   당연히 공기중의 수분 함유량도 증가한다.**
   (온도증가는 체적 감소로 인한 분자의 운동이 더욱 활발해지기 때문이다.)

                               보일과 샤를의 법칙 그래프
                                   ------------------------
보일-샤를의 법칙의 유도과정

1. 처음상태 : P1, T1, V1
2. 중간상태 : P2, T2, V1
3. 나중상태 : P2, T2, V2

보일의 법칙성립 (온도일정)                        샤를의 법칙 (압력일정)
1번식 [P1 * V1 = P2 * V1]                          2번식 [V/T1 = V2/T2]

식 2를 V1에 대한 식으로 고치면                    이것을 식 1에 대입하면
      T1 * V2                                                P1 * V1       P2 * V2
V = --------                                             --------- =  ---------
           T2                                                      T1              T2

열용량 [熱容量, heat capacity]

열용량 [heat capacity]

어떤 물질의 온도를 1K (1℃) 올리는데 필요한 열량으로 물체의 온도가 얼마나 쉽게 변하는지
알려주는 값이다.
단위 질량에 대한 열용량은 비열이라고 한다.
단위는 [kcal/K, kcal/℃]를 쓴다.

같은 물질이라도 그 양이 다르면 온도를 올리는데 필요한 열량이 달라진다.
이값을 나타낸 것이 열용량이다.
그러므로 물질의 열용량은 그 물질의 비열에 질량을 곱하여 구할 수 있다.

열용량 (QC) = Q / △T ------------(1)
열용량 (QC) = C * m --------------(2)

(1)
                        Q (kcal)
 열용량 (QC) =  ----------- = kcal/℃
                         △T (℃)

(2)               
  열용량 (QC) = C (kcal/kg*℃) * m (kg)
                         kcal         kg
                    =  ------  *   ---  = kcal / ℃
                         kg*℃        1

                   QC (kcal/℃)
   비열 (C) = -------------
                      m (kg)

                     kcal          kg        kcal          1
                =  ------  /   ----  =  ------  *   ----  = kcal/kg*℃
                      ℃            1           ℃           kg
 의 관계식이 성립된다.

여기서
QC = 열용량 (kcal/℃)
Q = 열량 (kcal)
△T = 온도차 (℃)
C = 비열 (kcal / kg*℃)
m = 질량 (kg)

열역학 관계 단위 정리

열역학에 쓰이는 여러 단위 정리

	약어	단위	내용
온도	[heat]	℃
밀도	P, [density]	kg/m3	물질의 질량을 부피로 나눈 값
비체적	[specific volume]	m3/kg	단위질량인 물체가 차지하는 부피
비중량	-	kgf/m3	물질의 단위 부피에 해당하는 중량
엔탈피	[enthalpy]	cal/kg
엔트로피	[entropy]	cal/g*℃	물질계의 열적상태를 나타내는 물리량
비열	C, [specific heat]	cal/g*℃	물질의 단위질량과 단위온도로 올리는데 필요한 열량
확산계수		m2/sec
점성계수		kg/m*sec	유체가 지닌 점성의 크기를 나태내는 고유의 상수
동점성계수		m2/sec	점성계수를 밀도로 나눈 것.
열전도율	[thermal conduction rate]	kcal/m*hr*℃	시간동안 뜨거운 면에서 차가운 면으로 판을 통해 전달된 에너지를 Q라고 하면 단위시간당 전달되는 에너지를 열전도율이라고 한다.
열전달계수	U, [overall heat transfer rate]	kcal/m2*hr*℃
열유속		kcal/m2*hr
열저항		°F*hr/BTU
열저항율		°F*hr*ft2/BTU-in
열발생율		kcal/m3*hr
열용량		cal/℃
열밀도		cal/cm2
열차폐		°F*hr*ft2/BTU

오염계수 fouling factor & 열 전달계수 Heat Transfer Coefficient 의 상관관계

오염계수 (fouling factor) [m^2 * h * 'C /kcal]은

Thermal Resistance의 단위로써

이 단위는 Heat Transfer Coefficient의 역수인데,

열의 전달을 방해하는 정도라는 물리적 의미를 갖습니다.

즉, 이 값이 크면 열전달이 잘 안되고, 작으면 열전달이 잘 된다는 뜻입니다.

열교환기를 처음 설치를 하면 깨끗해서 열전달이 잘 되지만, 시간이 지나 때가 끼게

되면 점점 열전달이 나빠집니다.

이를 수치로 하여 열교환기를 설계할 때에 더러워져도 원하는 만큼의 열교환이 되도록

미리 여유치를 두고 설계하도록 하는 것이 Fouling Factor의 의미입니다.

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m^2 * h * 'C /kcal의 역수는,

kcal/m^2 * h * 'C : 열전달계수

일단 열전달 계수의 의미를 이해하셔야 합니다.

단위면적당, 단위온도차당, 단위시간에 전달될 수 있는 열량입니다.

그러므로 이 값이 크면 열전달이 잘 됩니다.

m^2 * h * 'C /kcal는 단순히 kcal/m^2 * h * 'C 의 역수로 정의된 값입니다.

억지로 해석을 하면 단위 열량이 흐르기 위해서 필요한 면적과 시간과 온도차가
되겠지요. 조금 다르게 설명하면 단위열유량이 흐르기 위해서 필요한 면적과 온도차
라고도 할 수 있겠네요.

결국 우리가 전달하고자 하는 열량은 결정되어 있고, 온도차도 결정되어 있으므로,
그만큼 열전달면적을 확보하여야 한다는 의미입니다. 그러므로 Fouling Factor를 크게 적용하면, 그만큼 기기가 커져야 합니다.

Q = UAΔT ← 이 식이 핵심입니다.

Q : 열량→ kcal/hr
A : 열전달 면적 → m^2
ΔT : 온도차 → ℃
U : 이게 바로 열전달계수입니다.

위의 식에 Q, A, ΔT의 단위를 넣어 보시면 U의 단위가 kcal/m^2 * h * 'C 라는 것을

알게 되시고, 그 역수가 m^2 * h * 'C /kcal라는 것을 아실 수 있을 것입니다.

비열,질량,온도차,유량, 열량, 열전달의 상관관계

앞서 비열의 정의를 확인하였다.
여기서는 비열을 구하는데 관계된 인자들의 상관 관계를 수식으로 나타낸다.

비열을 구하는 공식 (열량, 온도차, 질량을 알때)                                                    
 C = Q / △T * m
열량을 구하는 공식 (비열, 온도차, 질량을 알때)
Q = C * △T * m
온도차 구하는 공식 (열량, 비열, 질량을 알때)
△T = Q / C * m
질량을 구하는 공식 (열량, 비열, 온도차를 알때)
m = Q / C * △T

여기서
C = 비열 (kcal/g*°C)
△T = 온도차 (°C)
m = 질량 (kg)
Q = 열량 (kcal)

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

열량대신 열전달를 구할 때

비열을 구하는 공식 (열전달, 온도차, 질량유량을 알때)                                                    
 C = Q / △T * F
열전달를 구하는 공식 (비열, 온도차, 질량유량을 알때)
Q = C * △T * F
온도차 구하는 공식 (열전달, 비열, 질량유량을 알때)
△T = Q / C * F
질량유량을 구하는 공식 (열전달, 비열, 온도차를 알때)
F = Q / C * △T

여기서
C = 비열 (kcal/g*°C)
△T = 온도차 (°C)
Q = 열전달 (kcal/hr)
 F = 질량유량 (kg/hr)