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공학 문제해결/열역학

【열역학】 무효 에너지란?

"알고 있을 때는 알고 있음을 밝히고 잘 모르고 있을 때는 모름을 시인하는 것이 바로 참된 지식이다."
 - 공자


안녕하세요. 이번 포스팅에서는 열역학에서 아주아주 드물게 등장하는 '무효에너지'에 대한 포스팅입니다. 대학 수업에서도 거의 다루지 않는 듯 한데, 관련 내용도 많이 없어서 배우기 힘든 개념인 것 같습니다. 이번 포스팅을 보시는 여러분들은 꼭 무효에너지 문제만큼은 손쉽게 맞추시길 바랍니다.


우선, 무효에너지의 정의를 알아보겠습니다.

[무효 에너지(Eu, unavailable energy)란?]

 : 작업 물질이 고온 열원으로부터 열량 Q를 받아 사이클을 지속하기 위해서는 저온 열원에 열원에 열량의 일부를 버리지 않으면 안 된다. 이때 에너지를 무효 에너지라고 한다. 참고로, 유효한 일로 변환할 수 있는 에너지를 '유효'에너지라 한다. - 기계공학용어사전

즉, 일을 하기 위한 기계에서 에너지 개념이 사용되는데, 이때 사용되는 에너지는 '유효' 에너지이고, 사용되지 않고 버려지는 에너지가 '무효'에너지 입니다. 단어의 의미 그대로 순수하게 해석해도 충분히 이해가 가능한 개념입니다.

다음으로, 관련 공식을 살펴보겠습니다.


[공식]


즉, 카르노 효율을 구하는 공식에서 Q2가 무효에너지가 됩니다. 그래서 공식을 변형해주면 바로 위 공식을 도출할 수 있습니다. 이 공식이 무효에너지에 대한 값입니다. 공식을 자세히 보시면 (1-η)의 의미가 '전체에서 기계효율을 뺀 나머지'라는 공학적 의미이기 때문에 주어진 열량(Q1)에 그것을 곱해주게되면 무효한 에너지의 의미를 가지게 됩니다.


아래의 예시를 보시면서 조금 더 이해하는 시간 가지시면 좋을 것 같습니다.

[예시]

① 효율이 낮아지면 커진다. (위 공식을 보시면 이해하실 수 있습니다.)
② 카르노 사이클에서의 방출열량
③ 기준온도와 엔트로피의 변화의 곱 (열량의 개념입니다. 이때, 다른 조건이 없으므로 무효 에너지의 일종이라고 부를 수 있습니다. 물론, 유효 에너지가 될 수도 있습니다.)



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