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에너지관리기사 열관리 · 엔탈피와 정상유동 에너지식

Enthalpy and Steady-Flow Energy

유체가 장치를 드나들 때는 내부에너지 u와 함께 유체를 밀어 넣는 유동일 Pv가 따라 들어오므로, 둘을 묶은 엔탈피 h = u + Pv로 입구와 출구를 견준다. 정상유동 에너지식에서 단열이면 열 항이, 회전축이 없으면 일 항이 빠지므로, 터빈 · 노즐 · 압축기 · 보일러는 남는 항이 서로 다르다. 그림은 입구와 출구에서 엔탈피 h와 운동에너지 V²/2를 쌓은 두 막대로, 두 높이의 차가 장치가 주고받은 일이나 열이에요. 장치 버튼으로 터빈 · 노즐 · 압축기 · 보일러를 고르고, 입 · 출구 엔탈피와 속도 슬라이더를 옮기면 막대와 전달량이 다시 계산돼요.

흐르는 유체는 엔탈피로 보면 편하다

유체가 장치를 드나들 때는 내부에너지 u만이 아니라 유체를 밀어 넣는 유동일 Pv도 함께 들어온다. 이 둘을 묶은 엔탈피 h = u + Pv를 쓰면 입구와 출구의 에너지를 간단하게 견줄 수 있다.

👀 엔탈피를 따로 정의한 까닭
①흐름에는 유동일 Pv가 늘 따라온다
②h = u + Pv로 묶으면 개방계 계산이 간단해져요
③엔탈피도 상태량(점함수)이에요
④정압과정에서는 Q = ΔH라서 보일러 · 응축기를 해석할 때 쓸모가 커요

장치를 고르고 입출구 바꿔 보기

3200 kJ/kg
2600 kJ/kg
40 m/s
120 m/s
🔧 장치마다 남는 항이 다르다
①터빈은 엔탈피가 떨어진 만큼 축일 w를 낸다 (q ≈ 0)
②노즐은 엔탈피가 떨어진 만큼 운동에너지가 늘어요 (w = 0)
③압축기는 입력일 w만큼 엔탈피가 오른다 (q ≈ 0)
④보일러는 가한 열 q만큼 엔탈피가 오른다 (w = 0, 정압)

정상유동 에너지식(SFEE) 정리

터빈 전달량
593.6 kJ/kg
축일 w (계가 내는 일)
엔탈피 정의
h = u + Pv
내부에너지 + 유동일
📏 항을 하나씩 지워 보기
①정상상태는 시간에 따라 변화가 없어 계 안에 쌓이는 양이 0이다
②단열이면 q = 0, 회전축이 없으면 w = 0
③높이 차가 작으면 gz를, 속도가 느리면 V²/2를 뺀다
④남은 항을 보면 그 장치가 무슨 일을 하는지 드러나요

핵심 공식

엔탈피
h = u + Pv
내부에너지에 유동일 Pv를 더한 상태량
정상유동 에너지식
h1 + V122 + gz1 + q = h2 + V222 + gz2 + w
단위 질량당 에너지 보존(개방계)
터빈(단열)
w = (h1 - h2) + V12 - V222
q = 0, gz를 뺐을 때 축일

정리와 시험에서 묻는 것

🎯 시험에서 묻는 것
①엔탈피 h = u + Pv는 개방계(유동) 해석의 기본 상태량이다
②SFEE: h₁ + V₁²/2 + gz₁ + q = h₂ + V₂²/2 + gz₂ + w
③터빈 · 노즐은 엔탈피가 떨어지고, 압축기 · 펌프는 엔탈피가 오른다
④정압과정에서는 Q = ΔH = m · cp · ΔT예요
⑤운동에너지 항은 속도가 클 때(노즐)만 의미가 있다
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] 단열 터빈 입구 h₁ = 3,200, 출구 h₂ = 2,600 kJ/kg, 속도항 무시. 축일은? (답: 3,200 - 2,600 = 600 kJ/kg)
②[기출유형] 노즐 입구 h₁ = 3,000, 출구 h₂ = 2,950 kJ/kg, 입구 속도 0. 출구 속도는? (답: V₂ = √(2 × 50 × 1,000) ≒ 316 m/s)
③[기출유형] u = 2,500, P = 200 kPa, v = 0.8 m³/kg일 때 엔탈피는? (답: 2,500 + 200 × 0.8 = 2,660 kJ/kg)
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