소방설비기사 소방유체역학 · 열역학 기초와 제1법칙

Thermodynamics Basics

열역학 기초는 계·주위, 상태량, 비열, 일과 열의 에너지 흐름을 정리해요. P-V 다이어그램 면적이 일이고, 제1법칙은 에너지 보존으로 내부에너지 변화를 읽어요. 소방·냉동·열원 설비 계산의 공통 뼈대가 여기서 시작해요. 상태량·P-V 그림에서 일과 열의 부호 약속이 보여요.

열역학의 기본 개념

💡 열역학 = 에너지 변환의 학문

①열역학은 열과 일의 상호 변환을 다루는 학문

②"계(System)"를 정하고 경계를 넘는 열과 일을 추적

③소방에서 화재는 화학에너지 → 열에너지 변환 현상

열역학 계 분류

열역학 계(System) 분류

상태량과 비열

Chart

주요 상태량

상태량	기호	단위	특징
압력	P	Pa, kPa	단위면적당 힘
온도	T	K, °C	열평형 척도
체적	V	m³	공간 차지 크기
내부에너지	U	kJ	분자운동 에너지
엔탈피	H = U + PV	kJ	등압과정에서 유용

비열 관계

C_p - C_v = R

정압비열 - 정적비열 = 기체상수(질량 기준). 비열비 κ = C_p / C_v

P-V 다이어그램과 일(Work)

과정 선택0등압

💡 P-V 그래프에서 면적 = 일

①등압(P일정): W = PΔV. 가장 단순

②등적(V일정): W = 0. 체적 변화 없으면 일 없음

③등온(T일정): W = nRT·ln(V₂/V₁) 곡선 아래 면적

④면적이 클수록 많은 일을 한 것

열역학 제1법칙: 에너지 보존

공급 열량 Q100 kJ

외부에 한 일 W40 kJ

열역학 제1법칙

Q = ΔU + W

계에 공급된 열(Q) = 내부에너지 변화(ΔU) + 외부에 한 일(W)

💡 제1법칙의 본질

①에너지는 생성도 소멸도 되지 않는다

②열을 가하면 → 온도가 올라가거나(ΔU) → 팽창해서 일(W)을 한다

③Q > W이면 내부에너지 증가(온도 상승)

④Q < W이면 내부에너지 감소(온도 하강)

총정리

열역학 제1법칙

Q = ΔU + W

에너지 보존: 공급열 = 내부에너지 변화 + 외부 일

비열 관계식

C_p - C_v = R

이상기체에서 정압비열과 정적비열의 차이 = 기체상수(질량 기준)

🎯 시험 포인트

①제1법칙: Q = ΔU + W. 부호 방향(계 기준) 주의

②밀폐계: 질량 이동 없음, 개방계: 질량 이동 있음

③등압과정 Q = nCpΔT, 등적과정 Q = nCvΔT

④엔탈피 H = U + PV: 등압과정에서 Q = ΔH

⑤비열비 κ = Cp/Cv: 단열과정 계산에 필수