일반기계기사 열역학 1장 정리. 온도, 압력, 상태량, 열역학 법칙 등 기본 개념을 구조적으로 정리해 CBT 시험 대비 기초를 탄탄히 다집니다.
🔎 이 글의 목차
- 열역학이란?
- 온도의 개념과 측정 방식
- 온도의 정의
- 섭씨, 화씨, 절대온도
- 섭씨–화씨 변환 공식 유도
- 압력의 개념과 단위
- 상태량의 개념과 분류
- 점함수 vs 과정함수
- 강도성 vs 종량성 상태량
- 열역학 제0~3법칙 요약 정리
- 정리 요약
- 이 글에서 다룬 주요 개념 키워드
- 다음 글 예고
열, 일, 에너지의 이동과 변환을 다루는 이 과목은 단순 암기보다는 개념과 원리 이해가 중요하며, CBT 전환 이후에는 응용 중심의 문제 출제가 증가하고 있습니다.
이번 글에서는 열역학의 기본 개념인 온도, 압력, 상태량, 열역학 법칙을 구조적으로 정리합니다. 개념을 처음 공부하거나, 시험 전 기초를 탄탄히 복습하고 싶은 분들에게 도움이 되도록 구성했습니다.
1. 열역학이란?
열역학(Thermodynamics)은 열(heat), 일(work), 에너지의 이동과 변환을 다루는 물리학의 한 분야입니다.
공업열역학은 이러한 원리를 기계 시스템에 실용적으로 적용하는 데 목적이 있으며, 열기관, 냉동기, 보일러, 열교환기 등 다양한 기계장치 해석의 기반이 됩니다.
학습 의의
- 단위 해석, 개념 이해, 공식 응용 능력을 종합적으로 요구함
- CBT 전환 이후 개념 응용형 문제의 비중이 증가함
2. 온도의 개념과 측정 방식
2-1. 온도의 정의
온도는 물체의 열적 상태를 나타내는 물리량으로, 분자의 평균 운동 에너지와 밀접한 관계가 있습니다.
온도가 높을수록 분자 운동이 활발하며, 이는 열에너지가 증가한 상태를 의미합니다.
2-2. 섭씨, 화씨, 절대온도의 정의
온도는 전 세계적으로 다양한 단위로 측정되지만, 대표적인 두 가지 체계는 섭씨(Celsius, ℃)와 화씨(Fahrenheit, ℉)입니다. 개념에 대한 내용이나 단위 변환 문제가 종종 공기업 필기 문제로 출제되니 확실하게 이해하고 암기하고 넘어가세요.
| 구분 | 기준 | 물의 어는점 | 물의 끓는점 | 구간 분할 |
|---|---|---|---|---|
| 섭씨(℃) | 0℃ 기준 | 0℃ | 100℃ | 100등분 |
| 화씨(℉) | 32℉ 기준 | 32℉ | 212℉ | 180등분 |
2-3. 섭씨–화씨 변환 공식 유도
섭씨 0℃와 100℃는 각각 물의 어는점과 끓는점에 해당하며, 그 사이 간격은 100도입니다. 화씨 기준으로는 물의 어는점이 32℉, 끓는점이 212℉로 설정되어 있으며, 그 간격은 180도입니다. 즉, 섭씨 100도는 화씨 180도와 대응되며 이 비례 관계를 바탕으로 다음과 같은 식을 세울 수 있습니다.
공식 유도:
(Tc - 0) / 100 = (Tf - 32) / 180
이 식을 각각 Tc와 Tf에 대해 정리하면 다음과 같습니다.
화씨 → 섭씨 변환 공식
Tc = (Tf - 32) × 5/9
섭씨 → 화씨 변환 공식
Tf = Tc × 9/5 + 32
2-4. 절대온도(K)의 정의
공업열역학 계산에서는 켈빈(K)을 사용하는 것이 원칙입니다.
켈빈은 절대영도(0K)를 기준으로 하며, 물리적 에너지가 완전히 정지된 상태를 나타냅니다.
- 변환 공식:
T(K) = T(℃) + 273.15
3. 압력의 개념과 단위
압력은 단위 면적당 작용하는 힘으로, 기체나 유체의 상태를 정의하는 중요한 상태량입니다.
3-1. 대표 단위 변환
- 1 atm = 760 mmHg = 101,325 Pa = 1.0332 kgf/cm²
- 1 bar = 100,000 Pa
- 1 mmHg ≈ 133.322 Pa
3-2. 압력의 종류와 관계식
관계식 정리
- 게이지압력 = 절대압력 - 대기압, 즉 절대압력 = 대기압 + 게이지압력
- 진공압력 = 대기압 - 절대압력, 즉 절대압력 = 대기압 - 진공압력
예시
- 대기압이 1 atm = 101.325 kPa일 때,
- 게이지압력이 50 kPa이면:
절대압력 = 50 + 101.325 = 151.325 kPa - 진공압력이 30 kPa이면:
절대압력 = 101.325 - 30 = 71.325 kPa
- 게이지압력이 50 kPa이면:
문제에서는 어떤 기준(절대압, 게이지압, 진공압)을 사용했는지 반드시 확인해야 정확한 해석이 가능합니다.
4. 상태량(state property)의 개념과 분류
4-1. 상태량의 정의
상태량은 계(system)의 현재 열역학적 상태를 나타내는 물리량으로, 시작과 끝 상태만 알면 그 차이를 계산할 수 있는 특성을 가집니다.
4-2. 점함수 vs 과정함수
| 구분 | 점함수 (상태량) | 과정함수 (경로량) |
|---|---|---|
| 정의 | 상태만으로 값이 결정 | 경로에 따라 값이 달라짐 |
| 예시 | 압력, 온도, 내부에너지 | 열, 일 |
4-3. 강도성 상태량 vs 종량성 상태량
| 구분 | 강도성 상태량 | 종량성 상태량 |
| 질량과의 관계 | 계의 크기와 무관 | 질량에 비례 |
| 예시 | 온도, 압력, 밀도 | 체적, 질량, 내부에너지 |
| 특징 | 값을 분할해도 동일 | 값을 나누면 줄어듦 |
종량성 상태량은 단위 질량당 값으로 환산하면 강도성 상태량이 됩니다.
- u = U/m : 단위 질량당 내부에너지
- h = H/m, v = V/m 등
5. 열역학 법칙 간단 정리
열역학에는 총 4개의 기본 법칙이 있으며, 이는 이후 모든 계산과 개념 해석의 기초가 됩니다.
- 제0법칙 (열평형 법칙): 두 계가 각각 제3의 계와 열평형 상태라면, 두 계도 서로 열평형 상태이다. → 온도의 개념과 측정 가능성을 뒷받침하는 법칙
- 제1법칙 (에너지 보존 법칙): 계에 가해진 열은 내부에너지 변화와 외부에 한 일의 합과 같다. → 열 = 에너지 변화 + 일
- 제2법칙 (엔트로피 증가 법칙): 에너지는 자연적으로 높은 품질에서 낮은 품질로 이동하며, 모든 자연계 과정에서는 엔트로피가 증가한다. → 방향성과 효율 해석의 기반
- 제3법칙 (절대영도 법칙): 어떤 계도 절대온도 0K에는 도달할 수 없다. → 저온 물리현상 해석의 이론적 기반
※ 이들 법칙은 앞으로 각 장별로 상세히 설명하고, 관련 문제풀이와 공식 적용 방식도 함께 정리할 예정입니다.
6. 정리 요약
- 열역학이란? 열과 일, 에너지의 이동과 변환을 다루는 학문
- 온도: 섭씨/화씨 기준과 변환식, 절대온도 개념 필수
- 압력: 단위 환산 능력과 절대압·게이지압 개념 이해 필요
- 상태량: 점함수이며, 강도성/종량성 분류와 단위 질량 기준 환산법 숙지
- 열역학 법칙: 전체 흐름을 이해하고, 각 법칙별 개념을 단계적으로 정리해야 함
7. 이 글에서 다룬 주요 개념 키워드
이 글에서는 다음과 같은 열역학 개념들을 중점적으로 정리했습니다. 아래 키워드들은 검색 시 함께 사용되며, 공부 흐름을 잡는 데 도움이 됩니다.
- 공업열역학 정리
- 일반기계기사 열역학 개념
- 온도 단위 변환 공식
- 섭씨 화씨 변환 유도
- 절대온도 켈빈
- 압력 단위 환산
- 상태량과 경로량 차이
- 강도성 상태량과 종량성 상태량
- 열역학 1법칙, 2법칙, 3법칙
- 기계기사 CBT 열역학
8. 다음 글 예고
다음 글에서는 열역학 제1법칙(에너지 보존 법칙)을 중심으로, 내부에너지 변화 계산, 열과 일의 관계, 상태량과 연계된 실전 문제 풀이 방법까지 자세히 정리할 예정입니다.
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