열역학 Thermodynamics 5th Edition 연습문제 2-123 to 2-137

열역학 2-123 to 2-137.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

Fundamentals and Applications

-Yunus A. Cengel

-Michael A. Boles

-부준홍 김덕줄 김세웅 김수현 신세현 이교우 정우남 최경민 공역

McGraw-Hill

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문제 2-122

실내의 전기 히터에 의해 실내로 전달되는 에너지의 양을 계산한다.

가정: 히터는 정상상태로 작동된다. 전기 히터에 전달된 전기 에너지는 모두 열 에너지로 변환된다.

풀이: 전기 히터에서 실내로 전달된 에너지의 양은 다음과 같이 계산된다.

따라서 (d) 이다.

문제 2-124

잘 밀폐된 방 안의 공기가 팬-모터에 의해 방으로 전달되는 에너지의 전달률을 계산한다.

가정: 팬-모터 장치는 정상 상태로 가동된다.

풀이: 방은 잘 밀폐되어 있으므로 방 안으로 전달되는 에너지 전달률은 모터에 전달되는 에너지와 같다.

따라서 에너지 전달률은 다음과 같이 계산된다.

그러므로 (c) 이다.

문제 2-125

일정 체적 유량의 공기를 정지 상태에서 일정 속도로 가속시키는 팬에 공급되는 최소 동력을 계산한다.

가정: 공기의 밀도는 일정하고 균일하며, 기타 마찰 등은 고려하지 않는다.

풀이: 팬을 통한 공기의 질량 유량은 다음과 같다.

따라서 팬에 공급되어야 하는 최소 동력은 다음과 같다.

그러므로 주어진 보기에 답은 없다. 만약 문제에 주어진 체적 유량의 단위가 m3/s라면 답은 (a) 248W가 된다.

문제 2-126

자동차를 가속하기 위해 추가적으로 투입해야하는 동력을 계산한다.

가정: 자동차는 평탄하고 일직선인 도로를 달린다. 자동차는 일정한 가속도로 가속되며,

추가적으로 투입되는 동력은 모두 운동 에너지로 변환된다. 기타 마찰은 고려하지 않는다.

풀이: 자동차의 운동 에너지 변화는 다음과 같다.

그러므로 6초 동안 추가적으로 투입되어야 하는 동력은 다음과 같다.

따라서 답은 (e) 37kW이다.

문제 2-127

대형 빌딩의 엘리베이터가 모터에 의해 일정한 속력으로 올라갈 때, 모터의 최소 동력을 계산한다.

가정: 엘리베이터는 일정한 속력으로 올라간다. 엘리베이터의 모터에 공급되는 동력은 모두 엘리베이터를 상승하는데 사용된다.

풀이: 엘리베이터는 일정한 속력으로 상승하고 있으므로 운동 에너지의 변화는 없고 위치 에너지의 변화만 있다.

따라서 모터의 최소 동력은 다음과 같이 계산된다.

그러므로 (c) 47kW 이다.

문제 2-128

일정 높이에 있는 물을 이용하여 터빈-발전기 수력발전소에서 전력을 생산할 때, 이 설비의 전력 생산을 계산한다.

가정: 수면의 높이 차는 일정하다. 물의 밀도는 일정하고 균일하다.

풀이: 물의 질량 유량은 다음과 같다.

물의 위치 에너지에 의한 터빈-발전기 수력발전소의 전력 생산은 다음과 같다.

그러므로 (b) 38MW 이다.

문제 2-129

전기모터로 동력을 공급받고 전체 부하로 작동되는 컴프레서의 연간 전기 비용을 계산한다.

가정: 연간 사용 시간 및 전기 모터의 효율, 단위전력비용 등은 일정하다.

풀이: 컴프레서 사용에 필요한 연간 동력은 다음과 같다.

따라서 연간 전기 모터에 공급해야하는 동력은 다음과 같고

연간 전기 비용은 다음과 같다.

그러므로 (d) $9533 이다.

문제 2-130

냉동기를 일정 기간 동안 가동할 때, 전력 비용을 계산한다.

가정: 냉동기는 일정하게 가동된다. 소모 전력과 전기의 가격은 일정하다.

풀이: 냉동기가 가동되는 기간 동안 사용하는 전력은 다음과 같다.

따라서 냉동기의 전력 비용은 다음과 같이 계산된다.

그러므로 (b) $5.18 이다.

문제 2-131

케로신(kerosene)이 담겨 있는 탱크에서 펌프를 이용하여 일정 높이 위의 탱크로 수송할 때, 케로신의 최대 체적 유량을 계산한다.

가정: 탱크 안의 케로신(kerosene)의 높이 차는 일정하며, 밀도와 중력 가속도는 일정하고 균일하다.

마찰 등을 고려하지 않는다.

풀이: 마찰 등의 손실을 무시할 수 있으므로 펌프에 공급되는 동력은 케로신의 위치 에너지로 변환된다.

따라서 펌프에 공급되는 동력과 위치 에너지에 대한 관계식은 다음과 같다.

그러므로 케로신의 최대 체적 유량은 다음과 같다.

답은 (a) 8.3L/s 이다.

문제 2-132

전기 모터로부터 동력을 공급받는 글리세린 펌프의 전체 효율을 계산한다.

가정: 글리세린의 밀도는 일정하며, 펌프-모터는 정상 상태로 작동된다.

풀이: 글리세린이 모터-펌프를 통한 역학적 에너지는 변화는 유동 에너지뿐이므로 다음과 같다.

따라서 모터-펌프의 전체 효율은 다음과 같이 계산된다.

그러므로 (c) 76% 이다.

문제 2-133

일정한 열발생이 있는 100개의 칩이 회로 기판에 배치되어 있을 때, 칩 표면의 평균 온도를 계산한다.

가정: 정상 열전달이며, 칩의 열발생은 모두 주위 공기로 전달된다. 기판 표면의 대류열전달계수는 일정하고 균일하다.

풀이: 100개의 칩은 회로 기판에 고르게 배치되어 있으므로 회로 기판에 전달되는 열유속은 다음과 같다.

따라서 대류에 의해 주위 공기로 전달되는 열전달률 관계식은 다음과 같다.

그러므로 칩 표면의 평균 온도는 다음과 같이 계산된다.

칩 표면의 평균 온도는 (a) 80℃ 이다.

문제 3-134

전기 저항선을 이용하여 1 기압에서의 물 속 비등 열전달계수를 구한다.

가정: 정상 상태이며 물의 온도는 1 기압에서의 비등 온도인 100℃ 이다. 대류열전달계수는 일정하고 균일하다.

풀이: 저항선에서 소모되는 전력은 모두 물로 전달되므로 대류열전달계수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

따라서 (a) 43,500 W/m2∙℃ 이다.

문제 2-135

고온의 흑체가 주위로 대류와 복사 열전달에 의해 열손실이 발생하고 있을 때, 표면으로부터의 총 열손실률을 계산한다.

가정: 열전달은 정상 열전달로 흑체의 온도와 공기 온도, 주위 온도는 일정하다.

흑체의 방사율은 1로 대류열전달계수와 같이 균일하고 일정한 값을 가진다.

풀이: 대류와 복사에 의한 열전달률을 각각 구하면 다음과 같다.

그러므로 총 열손실률은 다음과 같다.

따라서 (d) 3451W 이다.

문제 2-136

벽을 통한 열전달률이 주어져 있을 때, 벽의 평균 열전도율을 계산한다.

가정: 벽을 통한 열전달은 정상 1차원 열전도이다. 벽 내면과 외면의 온도는 각각 일정하다.

풀이: 벽을 통한 열전달은 정상 1차원 열전도이므로 열전달률 관계식은 다음과 같고

벽의 평균 열전도율은 다음과 같이 계산된다.

그러므로 (c) 1.0 W/m∙℃ 이다.

문제 2-137

평평한 콘크리트로 만들어진 전기 난방 가옥의 지붕을 통한 평균 열손실률을 계산한다.

가정: 지붕을 통한 열전달은 1차원 정상 열전도이다. 열전도계수와 지붕 내면, 외면의 온도는 일정하고 균일하다.

풀이: 지붕을 통한 열전달은 정상 1차원 열전도이므로 열손실률은 다음과 같다.

그러므로 (e) 2834W 이다.