수험서의 열역학은 대개 공식 목록입니다. PVk는 일정하고, 카르노 효율은 1 − T₂/T₁이며, 교축에서 엔탈피는 보존된다 — 그렇게 스무 개쯤 되는 결론을 외우면 시험은 어떻게든 넘어갑니다. 그러나 결론만 외운 지식은 문제가 조금만 비틀려도 무너지고, 시험이 끝나면 증발합니다. 이 책은 반대의 길을 갑니다. 에너지관리기사 열역학 범위의 모든 주요 공식에 대해, 그것이 어떤 가정에서 출발해 어떤 논리로 그 모양이 되었는지를 빠짐없이 유도합니다.
유도라고 해서 겁먹을 필요는 없습니다. 이 책에 나오는 수학은 곱셈과 나눗셈, 그리고 '잘게 나누어 더한다'는 적분의 아이디어가 전부이며, 적분이 등장할 때마다 그 계산이 무엇을 더하고 있는 것인지 말로 먼저 설명합니다. 각 장은 앞 장의 결론을 벽돌 삼아 쌓아 올리도록 배열했습니다. 1장의 언어로 2장의 제1법칙을 말하고, 2장의 엔탈피가 7장의 터빈 일이 되며, 5장의 엔트로피가 10장의 노즐을 설명합니다. 그래서 이 책은 발췌독보다 처음부터 순서대로 읽을 때 가장 쉽습니다.
솔직한 경고도 하나 두겠습니다. 이해는 득점의 필요조건이지 충분조건이 아닙니다. 기사 열역학 20문항의 상당수는 유도가 아니라 '식을 골라 숫자를 빨리 넣는' 속도 싸움이고, 그 속도는 기출 반복으로만 길러집니다. 이 책의 역할은 여러분이 기출을 풀 때 '왜 이 식이지?'에서 멈추지 않게 만드는 것, 그리고 낯선 변형 문제 앞에서 유도의 기억으로 식을 스스로 복원하게 만드는 것입니다. 본문 중 일부 유도(디젤 사이클의 효율식 등)는 시험 요구 수준을 넘지만, 이해의 사슬이 끊기지 않도록 생략하지 않았습니다. 시간이 없다면 유도는 눈으로 따라가고, 결론 상자와 예제만 손으로 풀어도 됩니다.
1. 열역학의 무대와 언어 — 계, 상태량, 온도, 압력
열역학은 '에너지가 형태를 바꿀 때 따르는 규칙'을 다루는 학문이다. 규칙을 말하려면 먼저 무대를 정하고 용어를 약속해야 한다. 이 장의 약속들은 이후 아홉 개 장 전체에서 단 한 번도 바뀌지 않고 사용된다.
1.1 계, 경계, 그리고 세 가지 무대
열역학의 첫 동작은 우주 전체에서 '내가 관찰할 대상'을 오려내는 것이다. 오려낸 대상이 계(system), 오려낸 가위선이 경계(boundary), 나머지 전부가 주위(surroundings)다. 경계는 물리적 벽일 수도 있고(실린더 벽), 상상의 선일 수도 있다(터빈을 감싸는 가상의 풍선). 중요한 것은 벽의 재질이 아니라 경계를 무엇이 통과할 수 있는가다. 물질과 에너지가 모두 통과하면 개방계, 에너지(열·일)만 통과하면 밀폐계, 아무것도 통과하지 못하면 고립계다. 피스톤에 갇힌 가스는 밀폐계(가스 분자는 못 나가지만 열과 일은 드나든다), 증기가 흘러 지나가는 터빈은 개방계다. 이 구분이 중요한 이유는 2장에서 드러난다. 밀폐계와 개방계는 에너지 장부를 적는 방식 자체가 다르기 때문이다.
| 계의 이름 | 물질교환 | 에너지교환 |
| 절연계 | X | X |
| 밀폐게 | X | O |
| 개방계 | O | O |
개방계에서는 두가지의 흐름이 있다. 정상류, 비정상류가있는데, 정상류는 과정간의 열역학적 성질이 시간에 따라변하지않는다, 즉 특정 계의 경계면 안에서 특정SPOT의 속도가 균일하다는것이다. 이때 경계면 내부 전체의 속도가 동일하다면, 등속류라고하고, 같은 계내부의 속도가 다른곳이있다면 비등속류라고한다.
그리고 비정상류라는 흐름이있다. 이 계안에있는 유체는 시간에 따라서 속도가 변한다. 비정상류도 등속류와 비동속류로 나뉠수있다.
1.2 상태량 — 계의 주민등록
계의 현재 모습을 기술하는 숫자들 — 압력, 온도, 부피, 질량 — 을 상태량(property)이라 한다. 상태량의 결정적 성질은 '지금 상태만 보고 결정되며, 어떤 경로로 여기까지 왔는지는 묻지 않는다'는 점이다. 서울의 해발고도가 그 도시에 어떻게 도착했는지와 무관한 것과 같다. 반면 '이동 거리'는 경로에 따라 달라진다. 열역학에도 이런 경로 의존적인 양(열과 일)이 있는데, 상태량과 경로량의 구분은 2장에서 수학 기호(d와 δ)의 차이로 다시 만난다.
상태량은 두 부류다. 계를 반으로 잘랐을 때 값도 반이 되면 종량성(질량, 부피, 내부에너지, 엔탈피, 엔트로피), 그대로면 강도성(온도, 압력, 밀도, 비체적)이다. 종량성 상태량을 질량으로 나누면 '단위질량당' 값이 되어 강도성으로 바뀌며, 이때 이름 앞에 '비(比)'를 붙이고 소문자로 쓴다. 부피 V(m³)를 질량으로 나눈 비체적 v = V/m(m³/kg)이 대표이고, 밀도는 그 역수 ρ = 1/v다. 이 책도 관례를 따라 대문자는 전체량, 소문자는 단위질량당 값으로 쓴다(H와 h, U와 u처럼).
상태가 시간에 따라 변해 가는 것을 과정(process), 한 바퀴 돌아 처음 상태로 되돌아오는 과정의 묶음을 사이클(cycle)이라 한다. 사이클을 마치면 모든 상태량은 출발값으로 복귀한다 — 이 당연한 문장이 뒤에서 카르노와 엔트로피를 낳는 씨앗이 된다. 한 가지 약속을 더 하자. 이 책의 과정은 특별한 말이 없으면 준정적 과정, 즉 계가 매 순간 평형을 유지할 만큼 천천히 진행되는 이상적 과정이다. 왜 이런 가정이 필요한가? 폭발처럼 급격한 과정 중에는 계 내부의 압력이 위치마다 달라 'P'라는 단일 값 자체가 정의되지 않는다. 매 순간 P가 정의되어야 다음 장에서 ∫P dV라는 적분을 쓸 수 있다. 준정적 과정은 마찰까지 없다면 되감기가 가능한 가역과정이 된다.
- 성질 --> 강도성질(온도,밀도,압력,비체적), 종량성질(내부에너지 ,엔탈피,엔트로피,체적)
- 상태 --> 평형상태에서 성질에의하여 정해지는 계
- 과정 --> 현상태에서 다른 상태로 변화, 과정안에는 가역과정, 비가역과정 존대
- 주요 과정 분류:
- 정압 과정 : ΔP=0ΔP=0 (압력 일정), P1=P2P1=P2.
- 정적 과정 : ΔV=0ΔV=0 (부피 일정), V1=V2V1=V2.
- 등온 과정 : ΔT=0ΔT=0 (온도 일정), T1=T2T1=T2.
- 단열 과정 : Q=0Q=0 (열 출입 없음, PVk=CPVk=C).
- 폴리트로픽 과정 : PVn=CPVn=C (nn은 상수).
- 주요 과정 분류:
- 가역과정은 현실에서 존재하지않음
그리고 이러한 과정은 일정주기로 반복시 사이클이라고하며, 이또한 비가역, 가역사이클로나누어짐