열역학 제2법칙에 대한 설명! 쉽고 간략하게! (발전 효율식 포함)

안녕하세요 여러분 민(Min) 입니다. 이번 포스팅에서는 열역학 제2법칙에 대한 간략한 설명 그리고 발전 효율식에 대한 이야기를 해보고자 합니다. 

 

먼저, 열역학 제 1법칙 그리고 제 2법칙에 대한 예시를 잠시 보시죠.

 

전통적인 화석 연료 발전소(석탄, 천연 가스, 석유)에 사용되는 것과 같은 연소 기반 발전 시스템의 효율성은 근본적으로 열역학 제2법칙에 설명된 열역학 원리에 의해 설명됩니다. 여기서 핵심 개념은 카르노 효율입니다. 이는 모든 열기관이 작동하는 온도에 따라 달성할 수 있는 이론적 최대 효율을 제공합니다.

### 카르노 효율

카르노 효율(\(\eta\))은 엔진이 열을 배출하는 열원(\(T_{hot}\))과 방열판(\(T_{cold}\))의 온도에 따라 결정됩니다. . 이는 다음 공식으로 제공됩니다.

여기서 \(T_{hot}\) 및 \(T_{cold}\)는 각각 뜨거운 저장소와 차가운 저장소의 절대 온도(켈빈 단위)입니다.

### 연소발전에의 응용

연소 발전소에서 뜨거운 저장소는 연소로 인해 발생하는 고온 가스(예: 증기 터빈의 증기)이고 차가운 저장소는 주변 환경 또는 배기열이 배출되는 냉각 매체입니다. 관련된 온도는 최대 이론 효율에 한계를 설정합니다.

그러나 실제 조건에서는 카르노 효율조차 달성하는 것이 다음과 같은 추가적인 현실적 한계로 인해 불가능합니다.

- **열 손실**: 실제 엔진에서는 불완전 연소, 엔진 벽을 통한 열 손실, 마찰 등 다양한 요인으로 인해 열 손실이 발생합니다.
- **비가역성**: 실제 프로세스는 되돌릴 수 없습니다. 카르노 사이클은 가역적 과정을 가정하는데, 이는 이상화입니다. 실제 프로세스에는 난류, 마찰 및 효율성을 더욱 감소시키는 기타 되돌릴 수 없는 요인이 포함됩니다.
- **재료 제한**: 최대 온도(\(T_{hot}\))는 엔진과 터빈에 사용되는 재료에 의해 제한됩니다. 온도가 높을수록 재료가 약화되거나 녹을 수 있습니다.

### 계산 예

연소 발전소가 600°C(873K)의 고온 증기로 작동하고 150°C(423K)의 열을 배출한다고 가정해 보겠습니다. 이론적 최대(카르노) 효율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

이 계산은 이러한 조건에서 이론적 최대값을 보여 주지만, 실제 시스템은 앞서 언급한 요인으로 인해 효율성이 상당히 낮은 경우가 많습니다. 많은 연소 발전소의 실제 효율은 약 35%~45%이며, 가장 효율적인 복합 사이클 발전소는 최적의 조건에서 잠재적으로 최대 60%에 도달합니다.

명확성을 위해 주어진 구체적인 예를 계산해 보겠습니다.

주어진 온도를 사용하여 600°C의 증기(150°C의 배기열)로 작동하는 발전소의 이론적 최대(카르노) 효율은 약 51.55%입니다. 그러나 열 손실, 재료 제한, 되돌릴 수 없는 프로세스 등 실제 비효율성으로 인해 실제 발전소에서는 약 35%~45%의 효율성을 달성하는 경우가 많습니다. 기존 연소발전소의 한계로 흔히 인용되는 35% 수치는 이론적인 최대치보다는 실제적인 한계를 반영합니다.

이상으로 열역학 제2법칙과 함께 발전효율에 대한 간략한 연구를 진행했습니다. 도움이 되셨길 바라며, 여러분의 연구에 도움이 되셨길 바랍니다.