권*표 교수님

한 문장으로 답변해달라고는 했지만 핵심은 카르노사이클 각 단계에 대한 정확한 이해를 하는 것에서 시작합니다. 학생분께서 분명 아시겠지만 복습차원에서 (또는 다른 차원에서) 살펴보고자 다시 한번 답변드리겠습니다.

 

카르노 사이클이 등온팽창(가열)/단열팽창/등온압축(발열)/단열압축으로 구성되어있음은 강의를 통해 아셨을 겁니다. 여기서의 핵심 키워드는 1)등온과정과 단열과정의 이해, 2)가역과정에 대한 이해, 3)이상기체가 되겠습니다.

 

1. 등온팽창(가열)

카르노사이클에서는 열이 시스템으로 유입되는 과정이 등온 상태로 진행됩니다. 다시 말하면, 사이클에 열을 넣는 과정에서 온도는 일정하다는 말이죠. Hot Reservoir(고온열원)에서의 온도가 어떠한 변화없이 100% 시스템에 전달되는 것만큼 효율적인 열전달은 없을 겁니다. 만약 작동유체가 이상기체가 아닌 물과 같이 상변형을 할 수 있는 유체라면 상변형하는 동안 온도가 일정하게 유지될 수는 있겠지만 이 경우 상변형에 의한 엔탈피가 소모되지만, 이상기체의 경우 상변형을 하지 않기 때문에 가장 효율적인 열전달이 가능할 겁니다.

 

2. 단열팽창

단열팽창의 경우, 시스템이 주위환경과 열전달을 하지 않는 단열상태가 되면서 팽창하게 됩니다. 먼저 이 세상에 완벽한 단열과정은 존재할 수 없기 때문에 단열이라는 상황을 가정하고 있다는 것만으로도 카르노사이클이 이상적인 상황을 가정하고 있음을 알 수 있습니다. 사실 이보다 더 중요한 것은 단열과정에 대한 정확한 이해인데요. 왜 등온팽창 또는 정압팽창을 하지 않고 굳이 단열팽창을 해야 하는가에 대한 질문이 생길 수 있습니다.  

 

일단 시스템이 팽창한다면 피스톤이 움직이면서 피스톤과 경계면 사이에서 마찰열이 발생할 겁니다. 팽창이 단열로 진행되기 때문에 여기서 발생한 열은 그 어디로 갈 수도 없는 상황에서 어쩔 수 없이 시스템 안의 작동유체로 발산될 수 밖에 없습니다. 그렇다면 이 마찰열에 의해 작동유체인 이상기체는 조금이라도 더 팽창할 수 있을 겁니다. (온도가 올라가면 기체의 에너지가 더 커지면서 팽창하죠?) 즉 좀더 효과적으로 더 많은 일이 발생될 수 있다는 것이죠. 만약 현실적인 상황과 같이 정압과정(대기압으로 일정한 압력이 가해지는 상황에서)으로 팽창할 경우, 외부환경과 시스템이 단열되지 않기 때문에 팽창하면서 발생한 마찰열은 시스템 안으로 들어와서 ‘추가일’을 발생시키기 보단 쉽게 외부로 발산되기를 원할 겁니다. 때문에 단열팽창보다 더 적은 일이 발생할 수 밖에 없죠.

 

카르노 사이클에 대해서는 수많은 자료와 설명이 있습니다. 이러한 질문은 제게 주시기 보단 직접 생각해보고 찾아보면서 혼자 정리해보는 것이 더 중요하다고 생각합니다. 위에 드린 제 설명과 학생분께서 읽어보실 여러 내용을 종합하여 왜 카르노사이클이 가장 이상적인 사이클인가에 대한 스스로의 답변을 꼭 내어보시길 바랍니다. 

 

열심히 공부하세요. 

 

감사합니다.

• 2019-11-18
• 2024-12-12 수정