귀여운 촌아의 작은상자

열역학 4-107.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

문제 4-107

피스톤-실린더 기구 내에 들어 있는 어떤 이상기체가 정압과정으로 냉각될 때,

행해진 압축일, 비열비를 이용하여 기체상수와 분자량, 적정비열과 정압비열을 계산한다.

가정: 피스톤-실린더 기구는 밀폐 및 고정되어 질량 유출입, 운동 및 위치에너지 변화와 마찰 등은 없다.

정압 냉각 과정 동안 기체의 온도를 제외한 상태량은 일정하게 유지된다.

풀이: 피스톤-실린더 기구 내의 이상기체는 정압 냉각 과정을 겪고 있다.

따라서 이상기체 방정식과 정압 과정 압축일의 관계식을 이용하고 정리하면 아래와 같고,

따라서 주어진 이상기체의 기체상수는 다음과 같이 계산된다.

이때 일반 기체 상수가 아래와 같으므로

기체의 분자량(몰 질량)은 다음과 같이 계산된다.

주어진 기체의 기체 상수를 계산했으므로 정적비열은 아래와 같고,

정압비열은 다음과 같다.

열역학 4-105.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

문제 4=105

피스톤-실린더 기구 내의 공기가 일정 압력에서 온도가 상승할 때, 팽창일을 계산한다.

가정: 피스톤-실린더 기구는 밀폐되어 있고, 마찰은 없다. 피스톤-실린더 기구는 고정되어 운동 및 위치에너지 변화가 없다.

피스톤-실린더 내의 압력은 일정하며 공기는 이상기체로 간주할 수 있다.

풀이: 피스톤-실린더 기구 내의 공기는 이상기체이고, 과정 동안 압력이 일정하다.

따라서 이상기체 상태 방정식은 아래와 같고

정압과정에서 팽창일은 아래와 같으므로

이상기체 방정식을 이용한 관계식은 아래와 같다.

이때 부록의 TABLE A-1 Molar mass, gas constant, and critical-point properties를 참고하여 공기의 기체 상수는 아래와 같고

팽창일은 아래와 같이 계산된다.

열역학 4-62.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

문제 4-62

피스톤-실린더 기구 내에 들어 있는 공기가 일정한 압력으로 저항 가열기에 의해 가열되고 있을 때, 공급된 전기에너지를 계산한다.

가정: 피스톤-실린더 기구는 잘 밀폐되어 있고, 피스톤-실린더 기구는 고정되어 있다. 피스톤의 운동 및 위치에너지 변화는 없다.

내부 압력과 열손실률, 공급되는 전기에너지는 모두 일정하며 주어진 과정은 준평형 과정이다.

저항 가열기에서 공급되는 열 에너지는 일정하며 실린더 내부의 공기에 균일하게 전달된다.

풀이: 피스톤-실린더 기구 내의 공기를 계로 선택하면 운동 및 위치에너지 변화는 없고, 계의 경계를 통과하는 질량은 없다.

주어진 과정은 정압 과정이며 계의 경계를 통과하는 에너지는 전기에너지와 열손실만 존재하므로 에너지 평형은 다음과 같다.

이때 주어진 과정은 정압과정이므로 총 내부에너지와 경계일 사이의 관계식은 다음과 같으므로

에너지 평형식은 다음과 같다.

주어진 과정 동안 공기를 이상기체라고 가정하면 부록의 이상기체 공기의 특성표 TABLE A-17 Ideal-gas properties of air를 참고하여

주어진 온도에서 엔탈피는 각각 다음과 같다.

따라서 공급된 전기에너지는 다음과 같이 계산된다.

열역학 4-36.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

문제 4-36

수증기가 들어 있는 피스톤-실린더 기구의 피스톤에 선형 스프링이 접촉한 상태로 열이 전달되어 팽창할 때,

최종 온도, 수증기가 한 일과 전달된 총 열량을 계산하고 P-v 선도에 나타낸다.

가정: 피스톤-실린더 기구는 잘 밀폐되어 있고, 고정되어 운동 및 위치에너지 변화가 없다.

피스톤-실린더 기구 및 선형 스프링의 마찰 및 열전달은 고려하지 않으며,

과정 동안 피스톤과 선형 스프링의 위치 및 운동에너지 변화는 없다고 가정한다.

피스톤-실린더 기구 내에는 수증기만 들어 있으며 준평형 과정으로 가정한다.

풀이: 피스톤-실린더 기구 내의 수증기를 계로 선택하면 피스톤-실린더 기구의 운동 및 위치에너지 변화가 없으므로

계의 에너지 변화는 내부에너지 변화만 존재한다. 계의 경계를 통과하는 질량은 없고, 외부로의 경계일과 열유입이 존재한다.

따라서 계의 에너지 평형식은 다음과 같다.

주어진 과정이 준평형 과정이지만 피스톤에 접촉되어 있는 피스톤에 의해 정압과정이 아니다. 그러므로 에너지 균형식은 다음과 같다.

최초 상태에서 수증기는 과열 수증기표 TABLE A-6 Superheated water TABLE A-6을 참고하여 비체적과 내부에너지는 다음과 같고,

따라서 수증기의 질량은 다음과 같이 계산된다.

그러므로 최종 상태에서 비체적은 다음과 같으므로

(a) 최종 압력과 최종 비체적에 대해서 과열 수증기표 TABLE A-6를 참고하거나 EES를 이용하여

최종 온도와 내부에너지를 다음과 같이 구할 수 있다.

이때 선형 스프링에 의해 피스톤에 가해지는 힘은 아래와 같고,

따라서 압력 관계식은 다음과 같다.

그러므로 위 식을 적분하여 수증기가 한 일을 계산하면 아래와 같다.

위 식을 정리하면 아래와 같고,

값을 대입하여 계산하면 수증기가 한 일은 다음과 같다.

(c) 에너지 평형식을 이용하면 전달된 총 열량은 다음과 같이 계산된다.

EES를 이용하여 P-v 선도에 나타내면 다음과 같다.

추가: 수증기가 한 일을 계산하기 위해 압력-체적 관계식을 구하면 체적에 대한 1차 식이 되므로

압력-체적 P-V 선도에 나타내면 최초, 최종 상태를 잇는 직선임을 알 수 있다.

따라서 P-V 선의 아래 면적을 계산하여 수증기가 한 일을 계산할 수 있다.

열역학 4-35.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

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-부준홍 김덕줄 김세웅 김수현 신세현 이교우 정우남 최경민 공역

McGraw-Hill

문제 4-35

수증기가 들어 있는 피스톤-실린더 기구가 최초 응축을 일어날 때까지 냉각될 때,

수증기의 질량, 최종 온도, 열전달량을 계산한다.

가정: 피스톤-실린더 기구는 잘 밀폐되어 있고, 고정되어 운동 및 위치에너지 변화가 없다.

피스톤-실린더 기구의 마찰 및 열전달은 고려하지 않으며, 과정 동안 피스톤의 위치 및 운동에너지 변화는 없다고 가정한다. 

피스톤-실린더 기구 내에는 순수한 물만 들어 있으며 준평형 과정으로 가정한다.

풀이: 피스톤-실린더 기구 내의 수증기를 계로 선택하면 피스톤-실린더 기구는 운동 및 위치에너지 변화가 없으므로

계의 에너지 변화는 내부에너지 변화만 있다. 계의 경계를 통과하는 질량은 없으며 움직이는 경계에 의한 경계일이 있으며

계의 경계를 통과하여 외부로의 열전달이 있다. 따라서 에너지 평형식은 다음과 같다.

이때 주어진 과정은 준평형의 정압과정이므로 에너지 평형식은 다음과 같다.

최종 상태는 수증기가 최초로 응축될 때이므로 포화 수증기 상태이며, 따라서 최초 상태의 수증기는 과열증기이다.

그러므로 부록의 과열 수증기 표 TABLE A-6 Superheated water TABLE A-6을 참고하여 비체적과 엔탈피를 구하면 다음과 같다.

(a) 비체적을 이용하여 수증기의 질량을 계산하면 다음과 같다.

(b) 최종 상태는 포화 수증기 상태이므로 최종 온도는 주어진 압력에서의 포화 온도이다.

따라서 부록의 압력에 따른 포화 물 표 TABLE A-5 Saturated water-Pressure table TABLE A-5를 참고하여

포화 온도, 비체적 그리고 엔탈피를 구하면 다음과 같다.

(c) 그러므로 에너지 평형식에 대입하여 열전달량을 계산하면 다음과 같다.

위에서 구한 값들을 이용하여 T-v 선도에 나타내면 다음과 같다.

열역학 4-34.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

Fundamentals and Applications

-Yunus A. Cengel

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-부준홍 김덕줄 김세웅 김수현 신세현 이교우 정우남 최경민 공역

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문제 4-34

포화액 상태의 물이 들어 있는 단열 피스톤-실린더 기구에 저항선에 의해 전류와 회전 날개에 의해 액체의 반이 기화 되었을 때,

전압을 계산하고 과정을 P-v 선도에 나타낸다.

가정: 피스톤-실린더 기구는 단열 및 밀폐되어 있고, 고정되어 운동 및 위치에너지 변화가 없다.

피스톤-실린더 기구의 마찰 및 열전달은 고려하지 않으며, 과정 동안 피스톤의 위치 및 운동에너지 변화는 없다고 가정한다.

전기에너지와 회전 날개의 일은 모두 열에너지로 변환되어 물에 전달된다.

피스톤-실린더 기구 내에는 순수한 물만 들어 있으며 준평형 과정으로 가정한다.

풀이: 피스톤-실린더 기구 내의 포화물을 계로 선택하면 피스톤-실린더 기구는 위치 및 운동에너지 변화는 없으므로

계의 에너지 변화는 내부에너지 변화만 있다. 계의 경계를 통과하는 질량은 없으며

피스톤-실린더 기구는 단열되어 있으므로 에너지 평형은 다음과 같다.

이때 주어진 과정은 준평형의 정압과정이므로 에너지 평형식은 다음과 같다.

처음 피스톤-실린더 기구 내에는 포화물만 들어 있으므로 부록의 압력에 대한 포화 물 표 TABLE A-5

Saturated water-Pressure table TABLE A-5를 참고하여 비체적과 엔탈피는 다음과 같다.

최종 상태에서 포화 물의 반이 기화 되었음으로 포화 물-수증기 혼합 상태이다.

그러므로 건도 x=0.5이며 비체적과 엔탈피는 다음과 같다.

최초 상태의 물의 부피와 비체적을 이용하여 물의 질량은 다음과 같이 계산된다.

따라서 계산된 값들을 에너지 균형식에 대입하여 계산하면 전원의 전압은 다음과 같이 계산된다.

마지막으로 위 과정은 EES를 이용하여 P-v 선도에 나타내면 다음과 같다.

열역학 4-33.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

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문제 4-33

피스톤-실린더 기구에 들어 있는 물이 일정한 압력을 유지하면서 물에 에너지가 전달될 때,

물의 최종 온도와 T-v 선도에 과정을 나타낸다.

가정: 피스톤-실린더 기구는 잘 밀폐되어 있고, 고정되어 있으며 마찰 및 열전달은 없으며

피스톤의 위치에너지 및 운동에너지 변화는 고려하지 않는다.

피스톤-실린더 기구 내에는 순수한 물만 들어 있다.

주어진 과정은 준평형 과정으로 가정한다.

풀이: 피스톤-실린더 기구 내의 물을 계로 선택하면 계 전체의 운동 및 위치에너지 변화는 없다.

따라서 계의 에너지 변화는 내부에너지 변화만 있으며, 계의 경계를 통과하는 질량은 없고,

피스톤은 에너지가 물로 전달되면서 상승한다고 가정할 때 움직이는 경계를 가지고 있으므로

계에서 외부로의 경계일이 존재한다. 따라서 에너지 평형은 다음과 같다.

이때 과정동안 압력은 일정하고 준평형 과정이므로 에너지 평형식은 다음과 같다.

최초 상태의 물은 부록의 압력에 대한 포화 물 표 TABLE A-5

Saturated water-Pressure table TABLE A-5를 참고하면 주어진 압력에 대한 비체적은 다음과 같으므로

과열증기 상태임을 알 수 있다.

따라서 과열 수증기 표 TABLE A-6 Superheated water TABLE A-6을 참고하거나 EES를 이용하여 처음 온도와 엔탈피는 다음과 같다.

그러므로 에너지 평형식에 대입하여 최종 상태의 엔탈피를 계산하면 다음과 같다.

피스톤-실린더 기구는 압력이 일정하게 유지되므로 최종 상태의 압력 및 엔탈피를

과열 수증기 표 TBALE A-5 또는 EES를 이용하여 최종 온도와 비체적을 구하면 아래와 같다.

이 과정을 EES를 이용하여 T-v 선도에 나타내면 다음과 같다.

열역학 4-32.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

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-부준홍 김덕줄 김세웅 김수현 신세현 이교우 정우남 최경민 공역

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문제 4-32

피스톤 실린더 기구에 들어 있는 R-134a가 일정 압력으로 냉각될 때, 열손실량을 구하고 T-v 선도에 과정을 나타낸다.

가정: 피스톤-실린더 기구는 밀폐 및 고정되어 있으며 피스톤의 위치에너지 및 운동에너지 변화, 마찰 등은 고려하지 않는다.

또한 피스톤 및 실린더에 전달되는 열에너지는 무시할 수 있다.

실린더 내에는 순수한 R-134a만 들어 있으며 주어진 과정은 준평형 과정이다.

풀이: 피스톤-실린더 기구 내부의 R-134a 전체를 계로 선택하면 피스톤-실린더 기구는 고정되어 있으므로 위치 및 운동에너지 변화가 없다.

따라서 계의 에너지 변화는 내부에너지 변화만 있으므로 아래와 같고,

R-134a는 외부로 열이 전달되어 냉각되므로 계 외부로의 열전달이 있다. 냉각 과정에서는 체적이 감소하고 피스톤이 하강한다고 할 때,

계는 움직이는 경계를 가지고 있으므로 계 내부로의 경계일이 존재하고 계의 경계를 통과하는 질량은 없다.

이때 계로의 열 유입과 계가 한 일이 기준이므로 계를 통과하는 에너지는 다음과 같다.

그러므로 에너지 평형은 다음과 같다.

선택된 계는 질량 변화가 없는 밀폐계이므로 내부에너지 변화는 다음과 같고,

주어진 피스톤-실린더 기구는 과정 동안 압력이 일정하게 유지되며 준평형 과정이므로 계에 행해진 일은 다음과 같다.

따라서 에너지 평형식은 다음과 같고,

계의 엔탈피 변화가 열손실량이 된다. 이때 최초 상태의 R-134a는

부록의 온도에 대한 포화 R-134a 표 TABLE A-11 Saturated refrigerant-134a-Temperature table TABLE A-11을 참고하면

주어진 온도와 압력에서 과열 증기임을 알 수 있다.

따라서 R-134a 과열 증기표 TABLE A-13 Superheated refregerant-134a TABLE A-13을 참고하여 최초 상태의 엔탈피는 다음과 같고,

최종 상태에서는 포화 R-134a 표를 참고할 때 압축액 상태이다.

그러므로 주어진 온도에서의 포화액으로 근사하여 온도에 대한 포화 R-134a 표 TABLE A-11

Saturated refrigerant-134a-Temperature table TABLE A-11을 참고하거나 EES를 이용하여 엔탈피를 다음과 같이 구할 수 있다.

주어진 값을 대입하고 계산하면 열손실량은 다음과 같다.

피스톤-실린더 기구 내의 R-134a는 과열증기에서 압축액까지 일정한 압력으로 냉각되므로

과열증기에서 포화 증기, 포화액-증기 혼합물, 포화액을 거쳐 압축액이 된다. 따라서 EES를 이용하여 T-v 선도에 나타내면 다음과 같다.

열역학 3-69.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

Fundamentals and Applications

-Yunus A. Cengel

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문제 3-69

온도와 압력이 일정한 기구 내의 헬륨의 질량과 몰 수를 계산한다.

가정: 주어진 상태의 헬륨 기체는 이상기체로 가정한다.

풀이: 부록의 몰 질량, 기체 상수와 임계점 물성치 표 Moral mass, gas constant, and critical-point properties TABLE A-1을 참고하여

헬륨의 기체 상수와 몰 질량은 다음과 같다.

문제에 주어진 헬륨 기체의 부피는 다음과 같고,

이상기체 상태 방정식을 이용하여 몰 수를 계산하면 다음과 같다.

따라서 헬륨의 질량은 다음과 같다.

열역학 1-96.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

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-Yunus A. Cengel

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-부준홍 김덕줄 김세웅 김수현 신세현 이교우 정우남 최경민 공역

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문제 1-96

헬륨을 채워 넣은 기구가 있을 때, 이 기구가 운반할 수 있는 최대 적재량을 계산한다.

가정: 기구의 로프와 사람이 타고 있는 구조물의 무게는 고려하지 않으며, 외부 공기의 흐름 등은 무시한다.

헬륨이 채워진 기구의 풍선은 구형으로 생각한다.

중력 가속도와 공기의 밀도는 일정하고 균일하다고 가정한다.

풀이: 헬륨이 채워져 있는 풍선의 부피는 다음과 같다.

따라서 부력은 다음과 같이 계산된다.

헬륨의 질량은 다음과 같으므로

따라서 상승하는 방향의 반대 방향으로 작용하는 중력에 의한 무게는 다음과 같다.

그러므로 기구에 작용하는 힘의 합력은 다음과 같다.

기구가 운반할 수 있기 위해서는 상승 힘보다 무게가 작아야하므로 최대 적재량은 다음과 같다.