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공조냉동기계기사 공조냉동설계 · 이상기체의 상태방정식과 상태변화

Ideal Gas Equation and Processes

이상기체는 압력 P, 부피 V, 절대온도 T 가 언제나 PV = mRT 로 묶이는 기체이고, 압력이 낮고 온도가 높을수록 실제기체도 이 식에 가까워진다. 상태변화는 PVⁿ = 일정 꼴로 적어, 지수 n 이 0 이면 정압, 1 이면 등온, k(공기 약 1.4)면 단열, ∞ 면 정적이다. 그림은 P-V 선도 위 경로이고, 과정 버튼마다 곡선 모양이 바뀌며 곡선 아래 칠한 넓이가 기체가 한 일이다. 슬라이더로 팽창 정도를 바꾸면 아래 줄의 W / P1V1 값이 함께 바뀌고, 정적 과정은 부피 대신 압력이 같은 비로 떨어지는 세로선이 된다.

상태식이 먼저

PV = mRT 의 R 은 기체마다 다른 기체상수로, 일반기체상수 R̄ = 8.314 kJ/(kmol·K) 를 분자량으로 나눈 값이다(공기 약 0.287 kJ/(kg·K)). 실제기체는 같은 온도 · 압력에서 이상기체 식과 어긋나고, 그 정도를 압축성인자 Z = PV/(mRT) 로 적는다. 이상기체면 Z = 1 이고, 압력이 높거나 포화에 가까울수록 1 에서 멀어진다.

👀 과정 지수 n
①n=0 정압
②n=1 등온
③n=k 단열(공기 k ≈ 1.4)
④n→∞ 정적, 그 사이 값은 폴리트로픽

과정을 바꿔 넓이 보기

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💡 지금 경로
①지금 과정: 등온
②부피비 V2/V1 = 2.0
③같은 부피비에서 단열 곡선이 등온보다 가파르게 떨어져 일이 작다
④정적은 부피가 그대로라 칠할 넓이가 없고 일은 0 이다

경로를 적는 식

이상기체 상태식
PV = mRT
R 은 기체상수(kJ/(kg·K)), T 는 절대온도(K)
폴리트로픽
PVn = C
n = 0 정압 · 1 등온 · k 단열 · ∞ 정적
폴리트로픽 일
W = P1 V1 - P2 V2n - 1
n ≠ 1. 등온(n = 1)은 W = P1V1 ln(V2/V1)

시험 포인트와 기출 유형

🎯 시험 포인트
①이상기체 상태식 · 상태변화 · 실제기체
②PV = mRT, T 는 절대온도 K
③n 지수로 과정을 구분
④실제기체는 압축성인자 Z 로 이상기체에서 벗어난 정도를 나타낸다
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 등온에서 부피가 2배가 되면 압력은? (답: PV 일정이므로 1/2)
②[기출유형] 단열 과정에서 열량 Q는? (답: 0)
③[기출유형] 정적 과정의 일은? (답: 부피 변화가 없어 0)

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