열기관

열기관(熱機關)은 열에너지를 기계에너지로 바꾸는 기관을 통틀어 이르는 말이다. 열원동기(熱原動機)라고도 부른다. 열기관은 고온의 열을 공급받아 저온으로 방출하면서 일부의 열을 이용하여 일을 한다. 증기기관, 원자력기관 등의 외연기관과 가솔린기관, 디젤기관 등의 내연기관으로 나눈다.

개요

화석연료 및 그 이외의 연료를 연소하여 발생하는 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치를 총칭하여 열기관이라 한다. 선박의 모든 엔진은 연료를 연소하여 발생하는 열에너지를 이용하여 동력을 발생시킨다. 열기관에서 열을 일로 바꾸기 위해서는 작동 유체가 필요하다. 작동 유체에 열이 공급되면 온도와 압력이 상승하게 되고, 이때 발생된 팽창력에 의해 일을 하게 된다. 일을 한 작동 유체는 압력과 온도가 낮아져서 일을 더 할 수 없게 된다. 따라서 계속적으로 일을 하기 위해서 연료를 연소시켜서 열을 발생시키고, 열에너지를 변환시켜 일을 할 수 있도록 반복적으로 발생되어야 하며, 이런 반복적인 순환 과정을 열 사이클이라고 한다.

분류

열기관은 연료가 연소하는 장소 및 열에너지가 동력에너지로 변화하는 장치에 따라 내연기관과 외연기관으로 나누어진다. 또한 내연기관 외연기관 모두 열교환이 이루어지는 기관의 형식에 따라서 용적식과 회전식으로 분류한다. 용적식은 용적을 가지는 실린더에서 에너지 교환이 이루어지는 왕복기관이다. 이와는 다르게 회전식은 다단 압축을 통하여 날개가 회전하여 에너지 교환이 이루어진다.

외연기관

외연기관은 보일러 내에 연료를 분사하여 연소시키고 그 과정에서 발생되는 열로 보일러 물을 가열하여 증기를 만들고 이 증기가 왕복식 기관 및 증기터빈을 움직여 기계적 에너지로 변환한다. 즉, 열에너지를 발생시키는 연소과정이 직접 기계적 에너지로 변환시키는 기관 외에서 이루어지고 연소 과정에서 발생하는 열(증기)을 기관에 투입하여 동력에너지로 전환하는 기관을 말한다. 외연기관에는 증기를 피스톤에 작용시켜 동력을 얻는 증기 왕복동 기관과 증기를 회전체의 날개에 작용시켜 동력을 얻는 증기터빈이 있다. 증기터빈은 대형 선박의 추진이나 화력발전소의 발전용 원동기 등으로 많이 사용되고 있으나, 증기 왕복동 기관은 효율이 너무 낮아 거의 사용되지 않는다. 18세기 산업혁명이 시작되고 증기기관차가 이와 같은 원리로 운행된 대표적인 기관이다. 석탄 및 목탄을 연소시켜 발생된 열에너지로 물을 증발시켜 증기를 이용하여 기관을 작동시켰다. 현대에 와서는 LNG선에서 외연기관을 사용한다. LNG선에서 자연 증발하는 LNG를 보일러의 연료로 이용하여 증기를 발생시켜 동력원으로 사용한다.

내연기관

내연기관은 동력에너지를 발생시키는 기관에 직접 연료와 공기를 공급하여 최적 연소시키고 그때 발생하는 고온, 고압의 연소가스를 동력에너지로 전환시키는 기관으로서 연료가 직접기관 내에서 연소하고 연소가스와 작동물질이 동일한 기관을 말한다. 내연기관에는 실린더에서 발생한 연소 가스를 피스톤에 작용시켜 동력을 얻는 가솔린기관, 디젤기관 등의 왕복기관이 있으며, 연소실에서 발생한 연소 가스를 회전체의 날개에 작용시켜 동력을 얻는 가스터빈과 회전체의 세 변이 각각 연소실을 형성하는 로터리 기관 등의 회전형 기관이 있다. 내연기관은 선박 엔진, 자동차 엔진, 산업용 엔진 등 많은 분야에 널리 사용된다.

열효율

열기관은 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 원동기로, 고온과 저온의 열원 사이에서 순환 과정을 반복하면서 열에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치를 말한다. 고온의 물체에서 공급해 준 열량과 저온의 물체로 방출된 열량의 차이만큼 열기관은 일을 한다. 공급된 열이 몇 %나 일로 전환하는가를 열기관의 효율이라 하며 보통 열기관의 열효율은 20~40% 내외이다. 한 번 순환하는 사이에 유체가 고온의 열원에서 흡수하는 열량을 $Q_{1}$, 저온의 열원에 방출하는 열량을 $Q_{2}$라고 하면 외부에 하는 일 $W$는 다음과 같다.

$W=Q_{1}-Q_{2}$

열기관의 한 순환 과정에서 흡수한 열량 $Q_{1}$에 대한 외부에 한 일 $W$의 비를 열기관의 효율($e$)이라고 한다.

$e=$ $W \over Q_{1}$ $=$ $Q_{1}-Q_{2} \over Q_{1}$ $=1-$ $Q_{2} \over Q_{1}$

$Q_{2}=0$이면 $e=1$이 되어 효율은 $100\%$가 된다. 이것은 저열원에 열을 버리지 않고 열에너지를 모두 일로 바꿀 수 없다는 열역학 제2법칙에 모순되므로 아무리 좋은 열기관이라도 효율은 $100\%$가 될 수 없다. 프랑스의 물리학자인 니콜라 레오나르 사디 카르노(Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1796년~1832년)는 열기관의 효율을 최대로 하기 위해서는 열기관이 가역 기관이어야 한다는 것을 발견하였다. 가역 기관은 어떤 순환 과정을 어느 방향으로 진행시키더라도 외부에 전혀 영향을 주지 않고 원상태로 되돌아가는 기관이다. 열기관의 최대 효율을 위하여 가역적으로 동작하는 이상적인 열기관인 카르노 기관의 효율은 고열원의 온도 $T_{1}(K)$과 저열원의 온도 $T_{2}(K)$에 의하여 결정된다. 카르노는 이상 기체를 사용한 가역적 열기관의 연구에서 $Q_{2} \over Q_{1}$$=$$T_{2} \over T_{1}$임을 밝히고 이상적 열기관의 효율을 다음과 같이 나타냈다.

열기관의 효율

$e=$ $T_{1}-T_{2} \over T_{1}$ $=1-$ $T_{2} \over T_{1}$

이 효율을 최대 효율이라고 하며, 동작 유체에 관계없이 항상 온도 $T1$, $T2$만으로 결정되는 일정한 값을 갖는다. 실제 열기관의 경우 마찰 등의 비가역적 변화에 의한 손실 때문에 열효율은 최대 효율값보다 작아진다. 따라서 열기관의 효율을 다음과 같이 표시한다.

$e\leq$ $T_{1}-T_{2} \over T_{1}$ $=1-$ $T_{2} \over T_{1}$

그러므로 열기관의 효율을 높이려면 $T_{2} \over T_{1}$을 줄여야 한다. $T_{2}=0$이 현실적으로 불가능하므로 $Q_{2}=0$, 즉 $e=1$인 기관은 존재할 수 없다. 결론적으로 열효율을 높이기 위해서는 고열원과 저열원의 온도차를 크게 하여야 한다.

참고자료

• 〈열기관〉, 《학생백과》
• 〈열기관 ( 熱機關 )〉, 《학생백과》
• 〈열기관 (heat engine)〉, 《물리학백과》
• 〈니콜라 레오나르 사디 카르노〉, 《위키백과》
• 황다혜, 〈황다혜 기관술(학) - 2020 최신판〉, 《도서출판AGL》, 2020
• 따쥬, 〈1.1.2 열효율 (2) (원자력기사)〉, 《티스토리》, 2020-03-19

같이 보기

• 열
• 기관
• 내연기관
• 외연기관

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