나뭇잎 교과서

열기관과 열효율

증기 기관, 자동차 엔진, 화력 발전소의 터빈은 모두 뜨거운 곳에서 열을 받아 일을 하고, 남은 열을 차가운 곳에 버리는 과정을 되풀이합니다. 한 바퀴마다 얼마만큼의 일을 얻는지, 왜 열을 전부 일로 바꿀 수 없는지 봅니다. 열기관이 바꾼 세상의 빛과 그림자도 함께 따져 봅니다.

본문

열기관과 열효율

본문

자동차 엔진은 휘발유를 태워 얻은 열로 바퀴를 굴린다. 그런데 엔진은 늘 뜨겁고, 배기구로는 뜨거운 가스가 나오며, 냉각수는 열을 식혀 내보낸다. 연료가 낸 열 가운데 실제로 차를 움직이는 일이 되는 것은 얼마나 될까? 기술이 아무리 좋아져도 열을 모두 일로 바꾸는 엔진은 만들 수 없을까?

그림 1. 기체가 압력-부피 그래프에서 사각형을 따라 한 바퀴 돌면 처음 상태로 돌아오고, 사각형의 넓이만큼 일을 한다. 받은 열 가운데 일이 된 비율이 열효율이다.
먼저 알아야 할 것열역학 제1법칙과 기체가 한 일 \(P\Delta V\)(열역학 제1법칙), 이상 기체 상태 방정식(상태 변화와 이상 기체).

2.4.1순환 과정과 열기관

열을 받아 일을 계속하려면 기체가 한 번 팽창하고 끝나서는 안 된다. 팽창한 기체를 다시 압축하여 처음 상태로 되돌린 뒤 다시 팽창시켜야 한다. 이렇게 처음 상태로 돌아오는 과정을 순환 과정이라 한다. 한 바퀴 돌면 온도가 처음과 같으므로 \(\Delta U = 0\)이고, 제1법칙에 따라 기체가 받은 열의 합이 한 일과 같다.

그런데 팽창할 때 한 일만큼 압축할 때 일을 받으면 남는 것이 없다. 그래서 팽창은 뜨거울 때(압력이 높을 때), 압축은 식은 뒤(압력이 낮을 때) 한다. 그림 1의 사각형에서 위쪽 경로로 팽창하고 아래쪽 경로로 압축하면 그 차이, 곧 사각형의 넓이가 한 바퀴 동안의 일이 된다. 그러려면 기체를 식히는 동안 열 \(Q_2\)를 낮은 온도의 곳으로 버려야 한다.

정의 2.4.1 열효율

열기관이 고온의 열원에서 열 \(Q_1\)을 받아 일 \(W\)를 하고 저온의 열원으로 열 \(Q_2\)를 버리면 \(W = Q_1 - Q_2\)이고, 열효율은 \[e = \frac{W}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}\] 이다.

2.4.2열효율의 한계

열역학 제2법칙에 따르면 열을 버리지 않고 받은 열을 모두 일로 바꾸는 열기관은 만들 수 없다. 즉 \(Q_2\)는 0이 될 수 없어 열효율은 늘 1보다 작다. 고온 \(T_1\), 저온 \(T_2\)(절대 온도) 사이에서 작동하는 열기관의 효율은 \(1 - \dfrac{T_2}{T_1}\)을 넘을 수 없다. 이 상한을 카르노 효율이라 한다.1

고온 열원 T₁ 열기관 저온 열원 T₂ Q₁ Q₂ W = Q₁ − Q₂
그림 2. 열기관은 고온에서 받은 열의 일부만 일로 바꾸고, 나머지는 반드시 저온으로 버린다.

2.4.3예제 풀이

예제 2.4.2

어떤 열기관이 한 번 순환할 때 고온에서 2000 J의 열을 받아 1400 J을 버린다. 열효율을 구하여라. 또 이 엔진의 고온부가 600 K, 저온부가 300 K이면 효율의 이론적 상한은 얼마인가?

한 일은 \(W = 2000 - 1400 = 600\) J이므로 열효율은 \(e = \dfrac{600}{2000} = 0.30\), 곧 30%이다. 실제 휘발유 엔진의 효율도 대략 25~35%이다.

한편 이론적 상한은 카르노 효율 \(1 - \dfrac{300}{600} = 0.5\), 곧 50%이다. 같은 600 J의 일을 하면서도 버리는 열을 줄일 여지가 아직 400 J 남아 있다는 뜻이다. 이 엔진은 상한의 60% 정도를 내고 있다. 상한을 높이려면 고온부를 더 뜨겁게 하거나 저온부를 더 차갑게 해야 한다. 그래서 발전소는 증기의 온도를 높이고, 차가운 강물이나 바닷물로 증기를 식힌다.

아래 탐구 카드에서 순환 과정의 모양을 바꾸며 한 일과 열효율이 어떻게 달라지는지 직접 살펴보자.

  1. 카르노 효율은 마찰이나 열 손실이 전혀 없는 이상적인 열기관의 효율이다. 실제 엔진은 마찰, 불완전 연소, 엔진 벽으로 새는 열 때문에 이 값보다 훨씬 낮다.
마무리

열기관은 순환 과정을 되풀이하며 고온에서 받은 열 \(Q_1\)의 일부를 일로 바꾸고 나머지 \(Q_2\)를 저온으로 버린다. 열효율은 \(1 - \frac{Q_2}{Q_1}\)이며, 제2법칙에 따라 1이 될 수 없고 \(1 - \frac{T_2}{T_1}\)을 넘지 못한다. 그래서 처음 질문의 자동차 엔진은 연료 에너지의 약 30%만 일로 바꾸며, 열을 모두 일로 바꾸는 엔진은 만들 수 없다.

탐구 1

열기관의 효율은 왜 100%가 될 수 없을까?

열역학 제1·2법칙 · P–V 도표
받은 열 QH
—
한 일 W
—
버린 열 QC
—
효율 W/QH
—

단원자 이상 기체 0.04 mol이 카르노 순환(등온 팽창 → 단열 팽창 → 등온 압축 → 단열 압축)을 도는 이상적인 기관이다. 마찰과 열 손실이 없는, 같은 두 온도 사이에서 가장 효율이 높은 기관이다.

  1. 질문연료를 태운 열을 전부 일로 바꾸는 엔진을 만들 수 있을까? 마찰을 완전히 없앤다면 어떨까?
  2. 복원열역학 제1법칙에 따르면 기체가 받은 열은 내부 에너지를 늘리거나 바깥에 일을 하는 데 쓰인다(Q = ΔU + W). 그리고 기체가 팽창하며 피스톤을 밀면 일을 하고, 그 일은 P-V 도표에서 곡선 아래 넓이이다.
  3. 설명그런데 팽창만 하면 일은 한 번으로 끝난다. 계속 일하려면 피스톤을 처음 자리로 되돌려야 하고, 압축에는 일이 든다. 기체를 식힌 뒤 압축하면 압력이 낮아 되돌리는 일이 덜 들고, 그 차이가 남는 일이다. 그래서 식힐 때 차가운 쪽으로 열을 버려야 한다.
  4. 연결한 바퀴 돌면 기체는 처음 상태로 돌아오므로 ΔU = 0이고, W = QH − QC, 효율은 e = W / QH = 1 − QC/QH이다. 이 이상적인 기관에서는 e = 1 − TC/TH가 된다(심화).
  5. 적용팽창 비율을 바꿔 보면 한 일은 달라지는데 효율은 그대로이다. 이제 TH를 올리거나 TC를 내려 보고, 효율이 100%가 되려면 TC가 얼마여야 하는지 생각해 보자.
  6. 판단QC는 마찰 같은 ‘손실’이 아니라, 순환하는 기관이면 반드시 내놓아야 하는 몫이다. 이것이 열역학 제2법칙의 한 표현이다. 실제 엔진은 마찰과 열 손실까지 더해져 이 한계보다 훨씬 낮다. 또 온도는 반드시 절대 온도(K)로 넣어야 한다.

확인조건이 달라지면

화력 발전소의 증기가 527 °C, 이를 식히는 냉각수가 27 °C이다. 이 두 온도 사이에서 작동하는 열기관의 효율은 최대 얼마일까?

탐구 2

이 영구 기관은 왜 멈출까?

설계 반박 · 돌림힘 · 에너지 보존
오른쪽 추 · 돌림힘
—
왼쪽 추 · 돌림힘
—
알짜 돌림힘
—

돌림힘은 ‘추 하나의 무게 × 바퀴 반지름’ 단위이다. 팔은 바퀴에 대해 0°~90°만 꺾이고, 그 안에서 추가 가장 낮은 자리에 놓인다고 보았다(천천히 돌 때). 놓아 보기의 감쇠는 모식이다.

  1. 질문오른쪽 추는 팔을 펴서 바퀴에서 멀리 있고, 왼쪽 추는 바퀴에 붙어 있다. 멀리 있는 추가 더 큰 돌림힘을 내니, 바퀴는 영원히 시계 방향으로 돌지 않을까? 수백 년 동안 많은 사람이 이런 설계를 내놓았다.
  2. 복원돌림힘은 무게 × 회전축에서 작용선까지의 거리이다. 그래서 시소처럼, 한쪽 돌림힘의 합이 더 크면 그쪽으로 돈다.
  3. 설명그런데 숫자를 보면 오른쪽 추는 멀리 있지만 개수가 적고, 왼쪽 추는 가깝지만 개수가 많다. 각도마다 두 쪽의 합을 비교하면 어느 때는 오른쪽이, 어느 때는 왼쪽이 이기고, 한 바퀴를 평균하면 알짜 돌림힘은 0이다.
  4. 연결에너지로 보면 더 간단하다. 바퀴가 한 바퀴 돌면 모든 추는 처음과 같은 높이로 돌아오므로, 중력이 한 일의 합은 0이다. 따라서 마찰로 잃는 에너지를 메울 곳이 없다.
  5. 적용회전각 슬라이더를 천천히 움직이며 오른쪽과 왼쪽 추의 개수와 돌림힘을 비교해 보자. 추의 개수나 팔 길이를 바꿔도 그래프의 평균이 0인지 확인한 뒤, ‘놓아 보기’를 눌러 보자.
  6. 판단놓은 바퀴는 몇 번 흔들리다 알짜 돌림힘이 0인 각도에서 멈추고, 설계를 아무리 바꿔도 결과는 같다. 에너지를 공급받지 않고 계속 일하는 기계(제1종 영구 기관)는 에너지 보존 법칙에 어긋나고, 주변의 열만으로 계속 일하는 기계(제2종 영구 기관)는 열역학 제2법칙에 어긋난다.

확인조건이 달라지면

어떤 사람이 ‘물레방아가 돌려 만든 전기로 펌프를 돌려, 떨어진 물을 다시 위로 퍼 올리면 영원히 돈다’고 주장한다. 가장 알맞은 반박은?

읽기 3

화력 발전과 원자력 발전은 무엇을 얻고 무엇을 치를까?

읽기 · 열원을 쓰는 발전소의 원리와 영향

석탄 발전소와 원자력 발전소는 전혀 다른 곳처럼 보인다. 그런데 두 발전소에서 전기를 만드는 부분은 거의 똑같다. 무엇이 같고 무엇이 다를까?

1물을 끓여 터빈을 돌린다

열원석탄·LNG 연소 / 핵분열 보일러물 → 고압 증기 터빈열 → 회전 운동 발전기전자기 유도 → 전기 복수기증기 → 물 냉각수바다·강으로 열 방출
화력 발전소와 원자력 발전소는 열원만 다르고, 증기로 터빈을 돌려 발전기에서 전기를 만드는 과정은 같다(LNG 복합 발전은 가스 터빈을 한 번 더 쓴다).

연료를 태우거나 핵을 분열시켜 얻은 열로 물을 끓이고, 고압 증기로 터빈 날개를 돌린다. 터빈과 연결된 발전기 속 코일이 자석 사이에서 회전하면 전자기 유도로 전류가 흐른다. 터빈을 지난 증기는 복수기에서 바닷물이나 강물로 식혀 다시 물로 만든 뒤 보일러로 돌려보낸다. 이렇게 열을 받아 일을 하는 장치를 열기관이라 하는데, 열기관은 받은 열을 모두 일로 바꿀 수 없고 남은 열을 반드시 낮은 온도 쪽으로 내보내야 한다. 그래서 열의 상당 부분이 냉각수로 빠져나가, 연료 에너지 가운데 전기가 되는 비율(효율)은 석탄 발전소와 원자력 발전소가 약 33~40 %, LNG 복합 발전소가 약 55~60 %이다.

2핵분열은 어디서 열을 얻나

우라늄-235 원자핵이 중성자를 흡수하면 두 개의 가벼운 원자핵으로 쪼개지며 큰 에너지와 함께 중성자 2~3개를 내놓는다. 이 중성자가 다시 다른 우라늄 원자핵을 쪼개면서 연쇄 반응이 이어진다. 그래서 원자로에서는 중성자를 흡수하는 제어봉으로 반응 속도를 일정하게 조절한다. 우라늄-235 1 g이 모두 분열하면 약 8 × 10¹⁰ J의 에너지가 나오는데, 석탄 약 3 t을 태운 것과 비슷한 양이다.

3인간 생활에 미치는 영향

석탄 화력LNG 화력원자력
생애 주기 온실가스 (g CO₂/kWh, 중앙값)약 820약 490약 12
대기 오염미세 먼지, 황산화물, 질소 산화물 (저감 설비 필요)석탄보다 훨씬 적음 (질소 산화물은 배출)운전 중에는 거의 없음
폐기물석탄재거의 없음사용 후 핵연료 등 방사성 폐기물. 수만 년 이상 격리 필요
그 밖의 쟁점연료 수입, 탄광 안전연료 가격 변동이 큼, 출력을 빠르게 조절 가능사고 위험(체르노빌 1986, 후쿠시마 2011), 발전소 해체, 입지 갈등

온실가스 값은 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)가 2014년에 정리한 것으로, 연료 채굴부터 발전소 건설과 폐기까지 포함한 추정치의 중앙값이다. 같은 기준에서 풍력은 약 11, 태양광은 약 41~48이다. 우리나라는 2020년대 초 발전량의 약 30 %씩을 석탄, 원자력, LNG에서 얻었다. 어떤 발전원도 장점만 있지 않으므로, 전력 수요, 기후 목표, 안전, 비용을 함께 따져 조합을 정한다.

판단“발전소가 에너지를 만든다”는 표현은 정확하지 않다. 발전소는 연료의 화학 에너지나 핵에너지를 전기 에너지로 전환할 뿐이고, 그 과정에서 절반이 넘는 에너지가 열로 버려진다. 발전소가 바닷가나 큰 강가에 많은 것도 이 열을 버릴 냉각수가 많이 필요하기 때문이다.

확인조건이 달라지면

효율이 35 %인 발전소가 1000 MW의 전력을 내고 있다. 이 발전소가 냉각수와 굴뚝으로 버리는 열은 대략 얼마일까?

영상 · 통통사과 · 31초

증기 기관에서 자동차 엔진까지

1712년의 뉴커먼 기관은 석탄 열의 1% 안팎만 일로 바꿨습니다. 와트의 응축기, 실린더 안에서 연료를 태우는 엔진을 거쳐 효율은 크게 올랐습니다. 그래도 100%에는 닿지 못하는 까닭을 열기관 효율 카드(카르노 순환)와 이어서 봅니다. 이 영상도 파일이 아니라 코드로 그려집니다.

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탐구 4

한 바퀴 돌 때 열기관은 얼마만큼 일을 할까?

순환 과정 · P–V 넓이와 열효율
한 바퀴에 한 일
—
받은 열
—
열효율
—
같은 온도 사이 한계 (카르노)
—

단원자 이상 기체 1 mol을 다루며, 가장 낮은 상태 A는 100 kPa, 24.9 L(300 K)이다. A→B는 부피 일정 가열, B→C는 압력 일정 팽창, C→D는 부피 일정 냉각, D→A는 압력 일정 압축이고, 카르노 효율은 1에서 최저 온도 ÷ 최고 온도를 뺀 값이다.

  1. 질문자동차 엔진은 연료가 내는 열의 30 % 정도만 바퀴를 굴리는 일로 바꾸고, 나머지는 배기가스와 냉각수로 버린다. 엔진을 아무리 잘 만들어도 이 버리는 열을 0으로 만들 수 없을까?
  2. 복원기체가 팽창하면 바깥에 일을 하고, 압축되면 일을 받는다. 그런데 한 번 팽창만 하고 끝나면 계속 일을 얻을 수 없으므로, 열기관은 기체를 원래 상태로 되돌리는 순환 과정을 반복한다.
  3. 설명한 바퀴를 돌면 기체의 상태가 제자리로 오므로 ΔU = 0이고, 기체가 한 알짜 일은 P–V 그래프에서 순환이 둘러싼 넓이이다. 받은 열 QH 가운데 일이 된 비율이 열효율 e = W ÷ QH이고, 나머지 QL = QH − W는 낮은 온도 쪽으로 버려진다.
  4. 연결높은 압력에서 팽창하고 낮은 압력에서 압축해야 넓이가 생기는데, 낮은 압력으로 되돌리려면 기체를 식혀야 하고 이때 열을 반드시 내보내야 한다. 그래서 효율은 1이 될 수 없고, 같은 최고, 최저 온도 사이에서 가능한 가장 큰 효율은 1 − TL/TH이다(카르노 효율).
  5. 적용압력 비와 부피 비를 키우며 넓이와 효율이 어떻게 바뀌는지, 이 순환의 효율이 카르노 한계에 얼마나 가까운지 보자. 그리고 한계를 높이려면 최고 온도와 최저 온도를 각각 어떻게 해야 할지 생각해 보자.
  6. 판단열기관은 18세기 증기 기관부터 산업 혁명을 이끌며 생산과 교통을 바꿨지만, 동시에 석탄과 석유를 태워 이산화 탄소와 대기 오염 물질을 쏟아냈고 버리는 열도 막대하다. 그래서 효율을 높이는 기술(복합 발전, 폐열 이용)과 열기관이 아닌 방식(전동기, 태양광)으로 바꾸는 선택을 함께 따져야 한다.

확인조건이 달라지면

최고 온도 600 K, 최저 온도 300 K 사이에서 작동하는 열기관이 한 바퀴에 1000 J의 열을 받는다. 이 열기관이 할 수 있는 일의 최댓값은?

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