01.제 01장 에너지공학개론 1 - jbnu.ac.krck-energy.jbnu.ac.kr/data/cmu02/1908811586_91048fed_01...제1장에너지의개념 4 1.1 에너지공학의정의 예제1.1 만약시스템이매시간당106

에너지시스템 공학

특별학기

2016. 01. 25

이 승 호

제 1장 에너지의 개념

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1.1 에너지공학의 정의

에너지란?

그리스어 energeia(activity)로서 en(in)+ergon(work)의 합성어 물리학적 측면 : 일하는 능력

운동에너지, 위치에너지, 열에너지, 전기에너지 및 화학 에너지 경제학적 측면 : 거의 모든 경제활동의 필수재로 구성

재료,노동력,자본 + 에너지

에너지의 중요성

의(衣), 식(食), 주(住) <- 에너지 대부분의 경제활동의 필수재 산업생산, 가정, 상업용 및 수송


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일, 에너지, 동력

에너지(E) = 일(W)을 할 수 있는 능력

일(W) = F * d

뉴턴의 법칙 F = m * a

만약 중력방향으로 높이 h만큼 움직인다면

W = mgh : 위치에너지

동력(P) = 일을 하는 속도(에너지가 소비되는 속도)

단위 : watt(W), 1W = 초당 1 Joule

E = P * t > 1W*s = 1J ( Q1 : 1KWh = ?? J )


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예제 1.1

만약 시스템이 매시간당 106 J (i.e. 1MJ)의 에너지를 생산한다면, 동력은 몇 watt 인가?

>> 106 J이 1시간(또는 3600초) 동안 생산된다면, 이를 초당 joule의단위로 표시하며 watt 가 된다.

P = E/t = 106 J / 3600s = 278W

제 1장 에너지 기초

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1.2 에너지의 역사적 고찰

에너지소비량

국가문명의 척도, 경제활동의 지표

인간의 생존에 필요한 에너지량 : 대략 2,000kcal

기술사회에서 필요한 에너지량 : 대략 230,000kcal


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에너지 이용의 변천사


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연도별 에너지 변화 추이


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1.3 에너지의 분류

시스템에 따른 분류

1차에너지 → 2차에너지 → 최종 에너지→ 서비스 1차에너지 : 석유, 석탄 등의 에너지 자원, 재생에너지 (태양, 풍력, 수력, 지열 해양에너지 등) 2차에너지

에너지 변환 장치인 발전소, 정유공장, 가스공장 등을 2차 에너지로 변환 전기, 석유제품, 가스 및 알코올 등

최종에너지 모터, 히트, 자동차, 가전제품 등의 에너지 사용기기를 통해 최종 에너지로 변환됨

서비스 냉난방, 열가공, 수송, 통신 등에 유용하게 이용


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에너지원에 따른 분류

비순환에너지와 재생에너지인 순환에너지

비순환에너지 다량의 집중적인 에너지 사용 가능 유한한 에너지임 (한번밖에 쓸 수 없음) 환경문제 발생 및 방사선 물질

순환에너지(재생에너지) 반영구적 청정에너지 분산형(태양, 풍력 등), 유동적(수력 등)


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에너지 형태에 따른 분류

• Kinetic energy (e.g., of a moving automobile)

• Gravitational potential energy (e.g., of water in a reservoir)

• Thermal energy (e.g., in a pot of boiling water)

• Chemical energy (e.g., stored in a liter of gasoline)

• Nuclear energy (e.g., stored in a gram of uranium)

• Electrical energy (e.g., used by a light bulb)

• Electromagnetic energy (e.g., that associated with a beam of sunlight)


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운동에너지

Kinetic energy is associated with the movement of an object

This may be translational motion with kinetic energy

or rotational motion with kinetic energy

2

2

1mvE

2

2

1IwE


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예제 1.2

1500kg의 자동차가 100 km/h로 움직이고 있다면 운동에너지는 얼마인가?

>> 속도를 m/s로 변환하면 (100km/h) * (1000m/km)/(3600s/h) = 27.8m/s이다.

운동에너지는 E=0.5*mv2 = (0.5)*(1500kg)*(27.8m/s)2

= 5.8*105 kg*m2/s2 = 5.8*105J


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예제 1.3

질량(m)이 400kg, 지름(d)가 0.85m, 관성모멘트(I) = md2/8 = mr2/2인 디스크 모양의 바퀴가 미끌림없이 회전하고 있다. 무게 중심의 속도는 30m/s이다. ( 이는 화물 기차 바퀴의 대략적인 근사이다. )

바퀴의 이동 운동에너지와 회전에너지를 비교하시오!

>> 운동에너지는 E=0.5*mv2 = (0.5)*(400kg)*(30m/s)2 = 1.8*105J

바퀴가 미끌림 없이 회전시 각속도( w=v/r) 는 질량 중심의 속도(v) 와 반지름(r)로 구할 수 있다.

회전에너지는 E = 0.5*(mr2/2)(v/r)2 = ¼ mv2

= 0.25*400kg*(30m/s)2 = 9.0*104J


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위치에너지

This is most commonly associated with the energy of an object in a gravitational field given by

May be converted into kinetic energy as an object falls through a distance h

mghE

mghmvE 2

2

1ghv 2


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예제 1.4

75kg의 사람이 수직 높이 3 m인 비행기 탑승계단을 걸어 올라가고있다. 이 사람의 위치에너지의 변하는 얼마인가?

>> 위치에너지는 E=mgh = (75kg)*(9.8m/s2)*(3m) = 2.2*103J


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열에너지

기체의 열에너지 <= 분자의 미시적인 운동에너지 이상기체 이론을 적용하면

몰수(아보가드로수)로 표현하면

고체나 액체의 경우 : 열에너지의 변화는 비열로 표현

Tkmv B2

3

2

1 2

nRTE2

3

기체의몰수:n

))(315.8(: KmolJkNRR BA 기체상수

KJkB /103806.1: 23)(: KT 절대온도

mC

QT TmCQ


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예제 1.5

물의 비열은 4180J/(kg-℃)이다. 500g의 물을 20 ℃에서 80 ℃로 가열하는데 필요한 에너지를 계산하시오.

>> 열에너지를 계산하기 위한 식은

m = 0.5kg, C = 4180J/kg-℃, ΔT = (80℃-20℃)=60℃를 대입하면

Q = (0.5kg) × [4180 J/kg-℃] ×(60℃) = 1.25×105J

TmCQ


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화학에너지

Burning of pure carbon (an approximation of coal)

Burning of methane (major component of natural gas)

Burning of ethanol (a common biofuel)

Burning of octane (an important component of gasoline)

kgMJCOOC /8.3222

kgMJOHCOOCH /5.5522 2224

kgMJOHCOOOHC /8.29323 22262

kgMJOHCOOHC /8.461816252 222188


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화학에너지

Oxidation of hydrogen

kgMJOHOH /14222 222


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핵에너지

입자간의 결합에 관련된 에너지라는 면에서 화학에너지와 유사

원자 내부의 전자가 포함된 원자간의 결합보다는 핵 내부의 중성자와양성자간의 결합과 관련됨

핵결합은 수 eV(전자볼트)인 화학결합보다는 훨씬 더 큰 수 MeV 의값으로 표시

아인슈타인의 관계식 2mcE


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전기에너지

전류 I가 저항 R을 가진 회로를 통해 흐른다면 전압강하 V는 다음과 같이 주어진다.

저항에서 소비되는 동력(watt)은 P = VI

전기에너지(J) = 동력(W)과 시간의 곱

- 참고환산인자 : 3.6*106 J/kWh, 0.278 kWh/MJ

IRV

R

VRIP

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전자기에너지 f

c


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1.4 에너지의 단위

에너지의 단위 (IEA)

석유환산톤(toe : ton of oil equivalent) 원유 1ton이 발열하는 칼로리(107kcal)를 기준으로 표준화한 단위 BTU (British Thermal Unit), cal, J, kWh 등


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1.5 에너지의 역할

생물활동 : 호흡, 순환, 소화, 운동, 감각, 사고

기계적인 일 : 하역, 추진, 기계가공, 압축, 파쇄, 탈수

화학적인 일 : 정련, 정제, 분해, 화학적 가공, 화학변화

물리적 상태보전 : 냉/난방, 급탕, 취사, 건조, 가열, 냉동, 제습 용해

에너지복사 : 조명, 방송, 통신, 방사선 가공, 복사선 계측, 음향발생


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1.6 에너지자원과 이용

지구로유입되는에너지


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1.6 에너지자원과 이용

태양복사에너지

태양과 지구 사이의 거리의 변화로 연간 3~4% 차이 발생 1월 : 1억 4700만 km 7월 : 1억 5200만 km

세계의 1차 에너지 소비량 (2000) VS 태양복사에너지

W연간량 : 5.46 x 1024 JW세계 에너지 소비량 : 3.781 x 1020 J

>> 약 14,440배


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1.7 신에너지개발 필요성

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