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소방설비기사 소방유체역학 · 열역학 기초와 제1법칙

Thermodynamics Basics

열역학의 기초는 계와 주위, 상태량, 비열, 그리고 계의 경계를 넘나드는 일과 열을 정리하는 데서 시작한다. P-V 선도에서 과정 곡선 아래 면적이 일이고, 제1법칙은 에너지 보존을 써서 내부 에너지 변화를 읽는다. 소방 · 냉동 · 열원 설비 계산이 모두 이 틀 위에 서 있어요. 위 그림은 과정 선택 슬라이더 0 ~ 3 으로 등압 · 등적 · 등온 · 일반 과정의 P-V 곡선과 일 면적이 바뀌고, 아래 그림은 공급 열량 Q 와 외부에 한 일 W 슬라이더에 따라 남는 내부 에너지 변화 ΔU 가 바뀌어요.

열역학의 기본 개념

💡 열역학은 에너지 변환을 다룬다
①열역학은 열과 일이 서로 바뀌는 과정을 다룬다
②「계(system)」를 정하고 경계를 넘는 열과 일을 따라간다
③소방에서 화재는 화학 에너지가 열에너지로 바뀌는 현상이에요

열역학 계 분류

열역학 계(system) 분류

상태량과 비열

Chart

주요 상태량
상태량기호단위특징
압력PPa, kPa단위 면적당 힘
온도TK, °C열평형의 척도
부피Vm³차지하는 공간의 크기
내부 에너지UkJ분자 운동 에너지
엔탈피H = U + PVkJ등압 과정에서 쓰기 좋음
비열 관계
Cp - Cv = R
정압 비열 − 정적 비열 = 기체 상수(질량 기준). 비열비 κ = Cp / Cv

P-V 선도와 일(work)

0등압
💡 P-V 선도에서 면적 = 일
①등압(P 일정): W = PΔV 로 가장 단순하다
②등적(V 일정): W = 0, 부피가 변하지 않으면 일도 없다
③등온(T 일정): W = nRT·ln(V₂/V₁), 곡선 아래 면적이다
④면적이 클수록 일을 많이 한 것이에요

열역학 제1법칙: 에너지 보존

100 kJ
40 kJ
열역학 제1법칙
Q = ΔU + W
계에 공급된 열(Q) = 내부 에너지 변화(ΔU) + 외부에 한 일(W)
💡 제1법칙의 바탕
①에너지는 생기지도 사라지지도 않는다
②열을 가하면 온도가 오르거나(ΔU) 팽창해서 일(W)을 한다
③Q > W 이면 내부 에너지가 늘고(온도 상승)
④Q < W 이면 내부 에너지가 줄어요(온도 하강)

총정리

열역학 제1법칙
Q = ΔU + W
에너지 보존: 공급 열 = 내부 에너지 변화 + 외부 일
비열 관계식
Cp - Cv = R
이상 기체에서 정압 비열과 정적 비열의 차이 = 기체 상수(질량 기준)
🎯 시험에서 볼 자리 다섯
①제1법칙 Q = ΔU + W 는 계를 기준으로 부호를 정한다
②밀폐계는 질량 이동이 없고 개방계는 있다
③등압 과정 Q = nCpΔT, 등적 과정 Q = nCvΔT
④엔탈피 H = U + PV, 등압 과정에서는 Q = ΔH
⑤비열비 κ = Cp/Cv 는 단열 과정 계산에 꼭 쓰여요

마지막 수정