흐름 과정

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안정적이고 연속적인 작동 동안에 오픈 시스템에 적용되는 에너지 균형은 시스템에 의해 수행되는 샤프트 작업을 열 덧셈과 순 엔탈피가 추가된 것과 동일하다.

열린 시스템 경계로 둘러싸인 공간의 영역을 보통 제어 볼륨이라고 한다.물리적 벽과 일치하거나 일치하지 않을 수 있다.모든 물질의 내부 또는 외부 흐름이 표면과 수직으로 발생하도록 제어 부피의 형상을 정의하는 것이 편리하다.어떤 사람은 그 시스템에 유입되고 나가는 물질이 화학적으로 균일해지는 과정을 고려할 수 있다.^[1]그리고 나서 유입 물질은 마치 유체의 피스톤을 시스템으로 유도하는 것처럼 작업을 수행한다.또한 이 시스템은 마치 유체의 피스톤을 내보내는 것처럼 작업을 수행한다.물질을 통과하지 않는 시스템 벽을 통해 축 작업을 포함하여 열(ΔQ) 및 작업(ΔW) 전달을 정의할 수 있다.

고전적인 열역학에서는 처음에는 그리고 마지막으로 열역학적 평형의 내부 상태에 있는 시스템의 과정을 흐름 없이 고려한다.이것은 또한 시스템이 균일한 속도로 흐르는 유체의 질량인 경우 일부 제한사항 하에서 실현 가능하다.그렇다면 많은 목적에서 흐름 과정이라 불리는 과정은 마치 흐름이 없는 고전적인 규칙이 효과적이었던 것처럼 고전적인 열역학과의 일치로 고려될 수 있다.^[2]현재의 입문 계정으로서는 흐름의 운동 에너지, 중력장의 상승의 잠재적 에너지는 변하지 않고 물질 입구와 출구를 제외한 벽은 단단하고 움직이지 않는 것으로 되어 있다.

이러한 조건 하에서, 흐름 과정에 대한 열역학 제1법칙에는 다음과 같이 명시되어 있다: 시스템의 내부 에너지의 증가는 시스템이 흐르는 물질과 가열하는 물질에 의해 시스템에 추가된 에너지의 양과 같으며, 시스템에서 수행하는 일의 형태와 물질에 의해 손실되는 양을 뺀다.이러한 조건 하에서 흐름 과정의 첫 번째 법칙은 다음과 같이 기록된다.

${\daystyle \mathrm {d} U_{\text{in}+\delta Q-\dmathrm {d} U_{\text{out}-\delta W}$

여기서 U와_in U는_out 각각 시스템으로 들어오고 나가는 평균 내부 에너지와 흐르는 물질을 나타낸다.

그 다음 두 가지 유형의 작업이 수행되는데, 위에서 설명한 '흐름 작업(flow work)'은 제어 부피의 유체(이 작업을 흔히 'PV work(PV work)'이라고도 함)와 '축 작업(Shaft work)'으로 수행되며, 이는 샤프트와 함께 일부 기계 장치의 제어 부피에 있는 유체에 의해 수행될 수 있다.이 두 가지 유형의 작업은 다음 방정식으로 표현된다.

${\deltayle \delta W=\mathrm {d}(P_{\text{out}V_{\text{data})-\mathrm {d}(P_{\text}V_{\text{in}}})+\delta W_{\textc축}}}}$

제어 볼륨 cv 수율에 대해 위의 방정식으로 대체:

${\displaystyle \mathrm {d} U_{cv}=\mathrm {d} U_{\text{in}}+\mathrm {d} (P_{\text{in}}V_{\text{in}})-\mathrm {d} U_{\text{out}}-\mathrm {d} (P_{\text{out}}V_{\text{out}})+\delta Q-\delta W_{\text{shaft}}\,}$

엔탈피, H = U + PV의 정의는 흐름 프로세스의 유체에서 내부 에너지 U와 PV 작업을 공동으로 설명하기 위해 이 열역학적 잠재력을 사용할 수 있게 해준다.

${\daystyle \mathrm {d}U_{cv}=\mathrm {d}H_{\text{in}-\mathrm {d}H_{\text{out}+\delta Q-\delta W_{\delta{\text}xel}}}}}}}}$

장치의 정상 상태 작동 중(터빈, 펌프 및 엔진 참조), 제어 볼륨 내의 모든 시스템 속성은 시간과 무관하다.따라서 제어 볼륨으로 둘러싸인 시스템의 내부 에너지는 일정하게 유지되며, 이는 위의 표현식의 dU가_cv 0으로 설정될 수 있음을 의미한다.이는 화학 반응이 없을 때 화학적 동질성이 있는 이러한 장치에 대한 발전 또는 요구 사항에 유용한 표현을 제공한다.

${\displaystyle {\frac {\delta W_{\text{shaft}}}{\mathrm {d} t}}={\frac {\mathrm {d} H_{\text{in}}}{\mathrm {d} t}}-{\frac {\mathrm {d} H_{\text{out}}}{\mathrm {d} t}}+{\frac {\delta Q}{\mathrm {d} t}}}$

이 표현은 위의 도표로 설명된다.

참고 항목

• 프로세스 흐름도
• 안정적 흐름 에너지 방정식 / 안정적 상태 단일 흐름

참조