화학공학과에서 배우는 열역학 (1) 단일상 열역학

1. 알고 있으면 도움되는 내용

- 물리화학

- 일반화학 및 일반물리학1

 

2. 배우게 될 내용

화공열역학은 물리화학, 즉 열역학의 심화내용이자, 실제 (화학)공정에서 열역학이 어떻게 사용되는 지를 배울 수 있습니다. 화공열역학은 학교마다 강의하는 방식이 상이합니다. 어떤 학교는 2개의 학기에 걸쳐 내용을 강의하기도 하는 반면, 어떤 학교들은 smith 교재를 한 학기 만에 진도를 모두 나가는 경우가 있습니다. 일단, smith 교재의 CH 9까지 각 단원들이 어떻게 구성이 되어 있는지를 잠시 살펴볼까요?

화공열역학 전반부에서는 물리화학에서 배웠던, 특히 CH 1 ~ CH 4에서 배운 열역학과 관련된 내용들을 더 자세하게 배울 수 있습니다. 후반부에서는 배운 내용들이 공정에서 어떻게 활용이 되고 있는지를 살펴볼 수 있습니다. 각 단원에서 배우는 세부적인 내용은 아래와 같습니다.

 

CH 1 화공에서의 열역학이 무엇인지를 간단하게 살펴보고, 열역학에서 사용되는 기본 개념들(단위, 힘, 압력, 일, 에너지, 열)에 대해 배웁니다.

CH 2 열역학 제 1법칙에 대해 배우며, 닫힌계와 열린계에서 각각 물질수지와 에너지수지가 어떻게 작성되는지 배울 수 있습니다.

CH 3 열역학을 설명할 때 주로 사용되는 p, V, T가 어떤 관계를 보이고, 그래프로 어떻게 표현되는 지 살펴보게 될 것입니다. 또한, 이상적인 기체와 실제 기체, 그리고 액체의 상태를 결정할 수 있는 방법에 대해 배우게 될 것입니다.

CH 4 열역학에서 주로 사용되는 또 다른 물리량인 열용량(Heat Capacity)를 자세하게 배웁니다. 특히 온도변화, 상변화, 화학 반응 등에서 온도에 대한 열용량을 공부하게 될 것입니다. 조금 더 살펴볼까요?

우선 초기 온도(T1)는 제공될 것이니까, 생각해봐야 하는 것은 2가지 일 것입니다.

(1) 나중 온도(T2)가 제공되어 열용량을 구하는 경우

(2) 열용량이 제공되어 어느 정도의 온도 변화가 발생하고, 최종 온도를 예측하는 경우

(1)과 (2) 중에서 (2)의 중요도가 더 높습니다. 결국 물리적인 문제 해결에서 중요한 것 중 하나는 예측이기 때문입니다. 이를 위해서 여러분이 반복계산법(iterative technique)를 배우게 될 것입니다.

CH 5 열역학 제 2법칙을 배우고, 이를 수학적으로 설명하는 방법과 열기관을 이용해서 설명하는 방법에 대해 배웁니다. 또한 엔트로피를 일과 연관을 지어 이상적인 상황과 실제 상황에서 얻어지는 일의 크기를 설명하게 됩니다.

CH 6 실제 유체와 이상적인 유체를 비교하여, 그 차이를 표현하는 ‘잔류 성질(Residue Property)’에 대해 공부하게 됩니다. 그리고 다양한 열역학 표를 읽는 방법에 대해 배웁니다.

CH 7 공정에서 반응기로 들어가기 위해 물질이 이동해야 하는데, 목적에 맞게 파이프 중간중간에 여러 장치를 설치하게 됩니다. 말로만 설명하기에 한계가 있기에 그림으로 같이 살펴볼까요?

(1) pipe, nozzel을 따라 흐르는 유체에 대한 열역학적인 분석

- 관내에서 유체의 흐름을 열역학적으로 살펴보며, 이를 위해서 복잡한 식을 유도할 수 있을 것입니다.

(2) turbine 등과 같은 유체의 흐름을 조정하는 장치를 기준으로 입/출력된 유체의 변화  

- 컨트롤러를 기준으로 유체의 열역학적 물성 (온도, 압력, 엔탈피, 엔트로피)가 어떻게 변화하는 지를 살펴보며, 이를 위해서 내삽법(선형보간법, interpolation)을 배우게 될 것입니다.

CH 8에서는 엔진에 대한 이해와, 엔진을 이용해서 에너지를 생산하는 방법을, CH 9에서는 냉동기에 대한 이해와, 이를 이용한 냉각 과정에 대해 배우실 수 있습니다.

체감 난이도는 CH 6 >> CH 3 > CH 7 > CH 5 > CH 4 > CH 8 > CH 9 > CH 2 > CH 1 였습니다. (개개인에 따라 차이가 있을 수 있습니다.)

 

3. 공부하면 도움되는 내용

1) 새롭게 등장하는 계산 방법을 숙달하기

공학수학에서 배우는 내용을 제외하고, 화공열역학에서 제시되는 새로운 계산 방법은 ‘반복계산법’과 ‘내삽법’입니다. 반복계산법은 중간고사에서 활용되며, 내삽법은 기말고사에서 주로 활용되는 계산법입니다. 각각을 따로 놓고 보면 크게 문제되는 것은 없습니다. 시험상황에서 위의 계산법은 익숙하지 않기 때문에 자신의 계산 결과를 신뢰할 수 없고, 이는 풀었음에도 찝찝함을 남겨줍니다. 교재 또는 솔루션을 보면 ‘~~게 구했다’라고 나와있기에 자신이 풀어본 것과 다른 것에 또 불안감이 형성됩니다.

화공열역학에서 반복계산법이 크게 3가지 분야에서 사용됩니다.

(1) 비리얼 계수를 기체 상태 결정 (CH 3)

(2) 3차 상태방정식을 이용한 기체/액체의 상태결정 (CH 3)

(3) 초기온도와 열용량을 이용한 최종 온도의 결정 (CH 4)

많이 푸는 것도 중요합니다. 그렇지만 많은 수식들을 풀어내야 하는 과목이니 만큼 한 문제 한 문제를 소중하게 생각해서, 계산을 틀리지 않는 연습을 꼭 하신다면 도움이 될 것입니다.

 

2) 증명의 목적과 흐름을 중심으로 공부하기

열역학에서는 많은 증명이 나옵니다. 그 이유는 다양하다고 생각합니다. 변수 사이의 관계를 기술하기 위해서, 또는 정의된 개념(내부에너지, 엔탈피, 엔트로피)을 측정할 수 있는 변수들(온도, 압력, 부피, 열용량)로 표현하기 위해서 등.. 증명을 위해서는 많은 수식이 등장하기에 이에 매몰될 수도 있습니다. 더 중요한 것은, 내가 하고 있는 증명의 목적(즉, 증명해내야 하는 대상이 무엇인지)을 잃지 않는 것입니다. (비대면 시험이 아니라면) 증명이 출제되기에 이 부분도 놓치지 말고 공부하시면 도움이 될 것입니다.

** 비대면 시험이면 증명을 외울 필요가 없을까요? 그건 또 아닌 것 같습니다. 선호의 차이가 있겠지만, 저는 사용해야 하는 공식이 헷갈리면 시험 현장에서 유도를 직접 해서 푸는 경우도 있었기 때문입니다. 그리고 식을 유도하면서 공부하니까 사용해야 하는 식들을 잘 기억할 수 있었습니다.