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엔트로피의 활용

Moran, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Chapter 6. 슬라이더를 움직이면 그래프가 실시간으로 반응합니다.

엔트로피 변화 TdS 관계식 엔트로피 수지 등엔트로피 과정 등엔트로피 효율

엔트로피 — 계의 상태량

엔트로피는 열역학적 계가 현재 어떤 '무질서' 상태에 있는지를 정량화하는 상태량이다. 이 값은 내부 가역 과정을 따라 열전달량을 온도로 나누어 적분함으로써 정의되며, 경로에 무관하게 초기·최종 상태만으로 결정된다. 거시적 정의 외에도, 볼츠만의 통계역학적 관점에서 미시 상태 수 $w$와 $S = k \ln w$의 관계로 물리적 의미를 부여할 수 있다.

$$S_2 - S_1 = \int_1^2 \left(\frac{\delta Q}{T}\right)_{\text{int rev}}$$
$$S = k \ln w$$

엔트로피 데이터의 활용

실제 문제 풀이에서 비엔트로피 값은 증기표, 냉매표, 또는 소프트웨어에서 직접 조회한다. 포화 상태에서는 건도 $x$를 이용해 $s = s_f + x(s_g - s_f)$로 계산하며, 압축액의 경우 해당 온도의 포화액 엔트로피로 근사한다. T-s 선도와 h-s(Mollier) 선도는 상변화와 과열 영역에서의 상태 변화를 시각적으로 파악하는 데 유용하다.

$$s = s_f + x(s_g - s_f)$$
$$s(T,p) \approx s_f(T) \quad \text{(compressed liquid approximation)}$$

TdS 관계식

제1법칙과 엔트로피 정의를 결합하면 두 가지 기본 관계식이 도출된다. 제1 TdS식 $T\,ds = du + p\,d\upsilon$는 내부에너지와 비체적의 미소 변화로 엔트로피 변화를 표현하며, 제2 TdS식 $T\,ds = dh - \upsilon\,dp$는 엔탈피와 압력 변화를 이용한다. 이 두 관계식은 순수 단순 압축성 물질에 대한 엔트로피 계산의 출발점이며, 상변화 시 $s_g - s_f = (h_g - h_f)/T$로 표 값을 교차 검증할 수 있다.

$$T\,ds = du + p\,d\upsilon$$
$$T\,ds = dh - \upsilon\,dp$$

비압축성 물질의 엔트로피 변화

액체나 고체처럼 밀도가 거의 변하지 않는 비압축성 물질에서는 $d\upsilon \approx 0$이므로 제1 TdS식이 $ds = c(T)\,dT/T$로 단순화된다. 비열이 온도에 따라 크게 변하지 않으면 $\Delta s = c \ln(T_2/T_1)$으로 바로 계산할 수 있다. 이 공식은 물의 열교환, 금속의 냉각 등 고체·액체가 관여하는 문제에 매우 폭넓게 적용된다.

$$s_2 - s_1 = c \ln\frac{T_2}{T_1}$$

이상기체의 엔트로피 변화

이상기체의 엔트로피 변화는 TdS 관계식에 이상기체 상태방정식을 대입하여 유도한다. 비열의 온도 의존성을 정확히 반영하려면 $s^\circ$ 함수(이상기체 표)를 이용해 $\Delta s = s^\circ(T_2) - s^\circ(T_1) - R\ln(p_2/p_1)$로 계산한다. 비열이 일정하다고 가정할 수 있는 경우에는 $\Delta s = c_p \ln(T_2/T_1) - R\ln(p_2/p_1)$로 간편하게 평가한다.

$$s(T_2,p_2) - s(T_1,p_1) = s^\circ(T_2) - s^\circ(T_1) - R\ln\frac{p_2}{p_1}$$
$$\Delta s = c_p \ln\frac{T_2}{T_1} - R\ln\frac{p_2}{p_1}$$
Figure 6.1 이상기체 엔트로피 변화 계산기
T₂/T₁ (온도비) 2.0
p₂/p₁ (압력비) 1.0
cᵨ (kJ/(kg·K)) 1.005
Δs (kJ/(kg·K)) 0.697

닫힌 계의 엔트로피 수지

닫힌 계의 엔트로피 변화는 경계를 통한 열전달에 수반되는 엔트로피 전달과 계 내부의 비가역성에 의한 엔트로피 생성의 합이다. 엔트로피 생성 $\sigma$는 항상 0 이상이며, 이것이 제2법칙을 정량적으로 표현한 것이다. 고립계에서는 열전달이 없으므로 $\Delta S_{\text{isol}} = \sigma > 0$이 되어, 엔트로피는 반드시 증가한다.

$$S_2 - S_1 = \int_1^2 \frac{\delta Q}{T_b} + \sigma$$
$$\sigma \geq 0$$

검사체적의 엔트로피 수지

정상상태 검사체적에서는 열전달에 의한 엔트로피 전달률, 질량 유동에 수반되는 엔트로피 전달률, 그리고 내부 비가역성에 의한 엔트로피 생성률의 수지를 세운다. 단열 단일 입·출구 장치에서 비가역성이 존재하면 출구 비엔트로피가 입구보다 반드시 크며, 등호는 과정이 등엔트로피일 때만 성립한다.

$$0 = \sum_j \frac{\dot{Q}_j}{T_j} + \sum_i \dot{m}_i s_i - \sum_e \dot{m}_e s_e + \dot{\sigma}_{cv}$$

등엔트로피 과정

등엔트로피 과정은 단열이면서 내부 가역인 이상적인 과정으로, 엔트로피가 일정하게 유지된다. 이상기체에 비열 일정 가정을 적용하면 $T_2/T_1 = (p_2/p_1)^{(k-1)/k}$ 및 $p\upsilon^k = \text{const}$와 같은 유용한 관계식을 얻는다. 공기표의 상대압력 $p_r$과 상대체적 $v_r$을 사용하면 비열의 온도 의존성을 반영한 보다 정확한 등엔트로피 해석도 가능하다.

$$\frac{T_2}{T_1} = \left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(k-1)/k}$$
$$p\upsilon^k = \text{constant}$$

등엔트로피 효율

등엔트로피 효율은 실제 기기의 성능을 같은 조건에서의 이상적(등엔트로피) 성능과 비교하여 정의한다. 터빈의 경우 실제 일 대 이상적 일의 비로 $\eta_t = (h_1 - h_2)/(h_1 - h_{2s})$이며, 압축기·펌프에서는 이상적 일 대 실제 일의 비로 $\eta_c = (h_{2s} - h_1)/(h_2 - h_1)$이 된다. 등엔트로피 효율은 에너지 시스템 설계에서 기기 선정과 성능 평가의 핵심 지표이다.

$$\eta_t = \frac{h_1 - h_2}{h_1 - h_{2s}}$$
$$\eta_c = \frac{h_{2s} - h_1}{h_2 - h_1}$$
Figure 6.2 등엔트로피 효율 탐색기
η (등엔트로피 효율) 0.80
h₁ (입구 엔탈피, kJ/kg) 3100
h₂s (등엔트로피 출구, kJ/kg) 2700
h₂_actual (kJ/kg) 2780
W_actual (kJ/kg) 320
W_isentropic (kJ/kg) 400

스스로 확인하기

단열 터빈에서 증기가 팽창할 때, 비가역성이 있으면 출구 비엔트로피 $s_2$는 입구 비엔트로피 $s_1$과 어떤 관계인가?
단열 과정에서 엔트로피 전달은 0이고, 비가역성에 의해 엔트로피가 생성($\sigma > 0$)되므로 $s_2 > s_1$이다.
공기(이상기체)가 300 K, 1 bar에서 600 K, 1 bar로 변할 때, 엔트로피 변화에 대한 압력 항의 기여는?
$\Delta s = c_p \ln(T_2/T_1) - R \ln(p_2/p_1)$에서 $p_2 = p_1$이므로 $R \ln(1) = 0$이다.
등엔트로피 터빈 효율이 80%이고, 등엔트로피 팽창 시 일이 200 kJ/kg이면 실제 터빈 일은?
$\eta_t = W_{\text{actual}} / W_s$ 이므로 $W_{\text{actual}} = 0.80 \times 200 = 160$ kJ/kg이다.

만약에...?

만약 모든 과정이 내부 가역이라면 엔트로피 생성은 어떻게 되는가?
클릭하여 확인 →
$\sigma = 0$이 되어 엔트로피 변화는 오직 열전달에 의한 엔트로피 전달로만 결정된다.
만약 이상기체의 비열비 $k$가 증가하면 등엔트로피 압축 후 온도는 어떻게 변하는가?
클릭하여 확인 →
$T_2/T_1 = (p_2/p_1)^{(k-1)/k}$에서 $k$가 클수록 지수가 커져 같은 압력비에서 출구 온도가 더 높아진다.

Key Takeaways

01
엔트로피 수지는 제2법칙의 실용적 도구
엔트로피 수지식을 통해 비가역성의 크기(엔트로피 생성)를 정량화하고, 열역학 기기의 성능 저하 원인을 식별할 수 있다.
02
등엔트로피 효율로 실제 기기를 평가
터빈·압축기·노즐·펌프의 실제 성능을 이상적(등엔트로피) 성능과 비교하여 효율을 정의하며, 이는 공학 설계의 핵심 지표이다.
03
TdS 관계식은 엔트로피 계산의 출발점
$TdS = dU + pdV$ 와 $TdS = dH - Vdp$ 는 순수 단순 압축성 물질의 엔트로피 변화를 계산하는 기본 관계식이며, 이상기체·비압축성 물질 등 다양한 모델에 적용된다.