엑서지란 무엇인가: 에너지의 유용성과 엑서지 파괴

목차31개 항목

• 엑서지를 왜 배워야 하는가
• 엑서지란 무엇인가
• 에너지와 엑서지의 차이
• 엑서지는 반드시 환경을 기준으로 한다
• 사상태란 무엇인가
• 100℃ 물이 식는 과정으로 이해해보자
• 유용일과 주위일
• 엑서지와 아너지
• 비가역성이 엑서지를 파괴한다
• Gouy-Stodola 관계의 의미
• 가역과정에서는 엑서지가 파괴되지 않는다
• 열에너지는 전부 일로 바꿀 수 없다
• 카르노 인자
• 열의 엑서지 계산 예제
• 열원온도가 환경온도에 가까우면 엑서지가 작다
• 왜 공조냉동에서 엑서지가 중요한가
• 전기와 저온 열에너지의 차이
• 히트펌프와 엑서지
• 공조냉동에서 중요한 유동 엑서지
• 왜 유동 엑서지에는 엔탈피와 엔트로피가 함께 들어가는가
• 엑서지는 열역학 제1법칙과 제2법칙을 연결한다
• 냉동사이클에서는 어디에서 엑서지가 파괴되는가
• 왜 팽창밸브 대신 팽창기를 생각할 수 있는가
• 엑서지 효율
• 냉동기의 제2법칙 효율
• 카르노 사이클과 엑서지
• 에너지 분석과 엑서지 분석은 무엇이 다른가
• 엑서지 파괴와 엑서지 손실은 구분해야 한다
• 공조냉동설비의 엑서지 개선 방향
• 기술사 답안에서 중요한 포인트
• 시험 직전 핵심 정리

엑서지를 왜 배워야 하는가

열역학 제1법칙에 따르면 에너지는 생성되거나 소멸되지 않는다. 따라서 어떤 실제 장치에서도 에너지의 총량은 보존된다.

그러나 같은 100 kJ의 에너지라고 해서 모두 같은 가치를 가지는 것은 아니다.

예를 들어 전기에너지 100 kJ와 고온 열에너지 100 kJ, 그리고 주변온도보다 조금 높은 물이 가진 열에너지 100 kJ는 에너지양 자체는 같지만 유용한 일로 바꿀 수 있는 능력은 서로 다르다.

즉 열역학에서는 단순히 에너지가 얼마나 존재하는지만으로 시스템의 가치를 충분히 평가할 수 없다.

에너지의 양과 에너지의 유용성은 서로 다른 개념이다.

이 차이를 정량적으로 평가하는 개념이 엑서지(Exergy)이다.

함께 참고하면 좋은 글: 열역학 제0·1·2·3법칙

엑서지란 무엇인가

엑서지는 시스템이 주어진 환경과 평형상태에 도달할 때까지 가역적으로 변화하면서 얻을 수 있는 최대 유용일(Maximum Useful Work)이다.

따라서 엑서지는 단순히 시스템에 저장된 에너지량이 아니라 그 에너지 가운데 실제로 유용한 일로 변환할 수 있는 최대 가능량을 나타낸다.

이 때문에 엑서지는 가용에너지(Available Energy)라는 표현으로 설명되기도 한다.

그러나 공학적으로는 다음과 같이 이해하는 것이 가장 정확하다.

엑서지는 주어진 환경을 기준으로 시스템에서 얻을 수 있는 최대 유용일이다.

에너지와 엑서지의 차이

에너지와 엑서지는 서로 밀접한 관계가 있지만 열역학적으로 의미가 다르다.

구분	에너지	엑서지
주요 법칙	열역학 제1법칙	열역학 제1·2법칙
의미	시스템이 가진 전체 에너지	얻을 수 있는 최대 유용일
보존 여부	보존됨	비가역성으로 파괴 가능
환경조건 영향	에너지 자체의 정의에는 없음	환경조건에 크게 의존
비가역성 평가	직접 판단 어려움	엑서지 파괴로 정량화 가능

마찰이나 교축이 발생하더라도 에너지 자체가 없어지는 것은 아니다.

그러나 고급에너지가 저급한 열에너지로 변환되면 다시 유용한 일로 만들 수 있는 능력이 감소한다.

따라서 실제 공학에서 흔히 말하는 “에너지 손실” 가운데 상당 부분은 열역학적으로는 에너지 자체의 소멸이 아니라 엑서지의 파괴라고 해석할 수 있다.

엑서지는 반드시 환경을 기준으로 한다

엑서지의 가장 중요한 특징은 환경조건에 대한 상대적인 값이라는 것이다.

주위환경의 기준 온도와 압력을 각각 T₀, P₀라고 하자.

같은 상태의 시스템이라도 주위환경의 온도와 압력이 달라지면 시스템이 환경에 도달하면서 만들어낼 수 있는 최대 유용일이 달라진다.

따라서 엑서지 역시 달라진다.

예를 들어 40℃의 물이 있다고 하자.

주위온도가 20℃라면 물과 환경 사이의 온도차를 이용할 가능성이 있으므로 열적 엑서지가 존재한다.

반면 주위환경도 40℃라면 열적으로 평형상태이므로 이 온도차를 이용하여 추가적인 일을 얻을 수 없다.

엑서지는 에너지의 절대적인 속성이 아니라 주위환경을 기준으로 한 이용 가능성이다.

함께 참고하면 좋은 글: 열역학 기초

사상태란 무엇인가

시스템이 주위환경과 평형을 이루어 더 이상 주위와의 차이를 이용하여 유용한 일을 만들어낼 수 없는 상태를 사상태(Dead State)라고 한다.

물리적 엑서지만 고려하는 기초 열역학에서는 일반적으로 시스템이 환경과 열적·기계적으로 평형을 이루어 다음 조건에 도달한 상태를 생각한다.

\[
T=T_0,\qquad P=P_0
\]

이 상태에서는 더 이상 환경과의 온도차나 압력차를 이용할 수 없으므로 물리적 엑서지는 0이 된다.

\[
\boxed{
Ex=0
\qquad
\text{at dead state}
}
\]

여기서 중요한 것은 사상태가 에너지가 없는 상태라는 뜻이 아니라는 점이다.

시스템에는 내부에너지가 여전히 존재할 수 있다. 다만 그 에너지를 이용하여 추가적인 유용일을 얻을 수 없다는 의미이다.

화학적 엑서지까지 엄밀하게 고려하는 경우에는 환경과의 화학적 평형까지 포함하지만, 이 글에서는 공조냉동에서 주로 사용하는 물리적 엑서지를 중심으로 설명한다.

100℃ 물이 식는 과정으로 이해해보자

20℃의 실내에 100℃의 뜨거운 물이 있다고 하자.

처음에는 물과 환경 사이에 큰 온도차가 있으므로 열기관 등을 이상적으로 이용한다면 일부 에너지를 일로 변환할 가능성이 있다.

따라서 물은 엑서지를 가진다.

시간이 지나 물이 20℃가 되어 주위와 열평형에 도달하면 물에는 여전히 내부에너지가 존재한다.

그러나 주위와 온도차가 없어졌으므로 추가적인 유용일을 얻을 수 있는 능력은 사라진다.

즉 다음과 같이 정리할 수 있다.

에너지는 남아 있지만 엑서지는 사라질 수 있다.

유용일과 주위일

엑서지의 정의에 등장하는 것은 단순한 일이 아니라 유용일(Useful Work)이다.

예를 들어 피스톤이 대기 중에서 팽창하면 시스템이 발생시킨 전체 일 가운데 일부는 단순히 주변 대기를 밀어내는 데 사용된다.

이 부분을 주위일이라고 한다.

준정적인 피스톤 팽창에서 미소 전체 경계일은 다음과 같다.

\[
\delta W=P\,dV
\]

주위 대기압이 P₀라면 대기를 밀어내는 데 필요한 주위일은 다음과 같다.

\[
\delta W_{\mathrm{surr}}
=
P_0\,dV
\]

따라서 외부에서 실제로 활용할 수 있는 미소 유용일은 다음과 같다.

\[
\boxed{
\delta W_u
=
(P-P_0)dV
}
\]

엑서지는 시스템이 환경상태까지 가역적으로 변화할 때 얻을 수 있는 이 유용일의 최대값과 연결된다.

엑서지와 아너지

전통적인 열역학 설명에서는 에너지를 개념적으로 엑서지와 아너지(Anergy)로 나누어 표현하기도 한다.

\[
\boxed{
\text{Energy}
=
\text{Exergy}
+
\text{Anergy}
}
\]

엑서지는 주어진 환경을 기준으로 유용한 일로 변환할 수 있는 부분이고, 아너지는 그 환경조건에서 유용한 일로 변환할 수 없는 부분이다.

다만 실제 엑서지 해석에서는 이 관계를 단순한 에너지 분할식으로 사용하기보다 환경상태와 엑서지 수지를 명확하게 정의하는 것이 더 중요하다.

비가역성이 엑서지를 파괴한다

앞에서 가역·비가역 과정을 공부하면서 실제 공조냉동 시스템에 다양한 비가역성이 존재한다는 것을 배웠다.

대표적으로 마찰, 점성, 난류, 유한한 온도차의 열전달, 교축, 혼합, 자유팽창과 압력손실 등이 있다.

비가역과정에서는 엔트로피가 생성된다.

\[
S_{\mathrm{gen}}>0
\]

함께 참고하면 좋은 글: 가역과정과 비가역과정

그리고 생성된 엔트로피와 파괴된 엑서지 사이에는 매우 중요한 관계가 있다.

\[
\boxed{
Ex_{\mathrm{dest}}
=
T_0S_{\mathrm{gen}}
}
\]

이를 Gouy-Stodola 관계라고 한다.

T₀는 환경의 절대온도이고 S_gen은 과정에서 생성된 엔트로피이다.

Gouy-Stodola 관계의 의미

엑서지 파괴식에서 중요한 것은 엔트로피 생성량이 증가할수록 엑서지 파괴 역시 증가한다는 점이다.

\[
S_{\mathrm{gen}}\uparrow
\quad\Rightarrow\quad
Ex_{\mathrm{dest}}\uparrow
\]

따라서 지금까지 배운 내용을 하나의 흐름으로 연결할 수 있다.

\[
\boxed{
\text{비가역성 증가}
\rightarrow
S_{\mathrm{gen}}\uparrow
\rightarrow
Ex_{\mathrm{dest}}\uparrow
}
\]

즉 엔트로피 생성량은 단순히 과정이 비가역적이라는 사실만 나타내는 것이 아니라 그 비가역성 때문에 얼마나 많은 일의 가능성이 사라졌는지를 엑서지 파괴로 연결해 준다.

가역과정에서는 엑서지가 파괴되지 않는다

완전 가역과정에서는 엔트로피 생성이 없다.

\[
S_{\mathrm{gen}}=0
\]

따라서 Gouy-Stodola 관계에서 다음과 같다.

\[
\boxed{
Ex_{\mathrm{dest}}=0
}
\]

반면 실제 비가역과정에서는 S_gen > 0이므로 엑서지가 파괴된다.

이것이 카르노 사이클이 이론적인 최대성능을 나타내는 이유와도 직접 연결된다.

함께 참고하면 좋은 글: 카르노 사이클과 역카르노 냉동사이클

열에너지는 전부 일로 바꿀 수 없다

열역학 제2법칙에 따르면 하나의 열원에서 받은 열을 모두 일로 바꾸는 주기기관은 만들 수 없다.

따라서 열에너지의 엑서지는 일반적으로 열에너지량보다 작다.

온도 T인 일정한 온도의 열원에서 열량 Q를 받고 환경온도가 T₀인 경우, 그 열과 함께 전달될 수 있는 최대 엑서지는 다음과 같다.

\[
\boxed{
Ex_Q
=
Q
\left(
1-\frac{T_0}{T}
\right)
}
\]

이 식은 열이 일정한 경계온도 또는 열원온도 T에서 전달되는 경우에 적용한다.

카르노 인자

열의 엑서지 식에 나타나는 다음 항을 카르노 인자(Carnot Factor)라고 한다.

\[
\boxed{
1-\frac{T_0}{T}
}
\]

이는 온도 T의 열에너지 가운데 환경온도 T₀를 기준으로 최대 어느 비율까지 일을 만들 수 있는지를 나타낸다.

열원의 온도가 높아질수록 카르노 인자는 커지고, 열원온도가 환경온도에 가까워질수록 0에 접근한다.

열의 엑서지 계산 예제

환경온도가 300 K이고 600 K의 일정한 온도에서 100 kJ의 열을 공급받는다고 하자.

주어진 값

Q = 100 kJ, T = 600 K, T₀ = 300 K이다.

사용 식

\[
Ex_Q
=
Q
\left(
1-\frac{T_0}{T}
\right)
\]

대입

\[
Ex_Q
=
100
\left(
1-\frac{300}{600}
\right)
\]

계산

\[
\boxed{
Ex_Q=50\ \mathrm{kJ}
}
\]

공학적 의미

100 kJ의 열에너지가 존재하지만 300 K의 환경을 기준으로 이 열에서 이상적으로 얻을 수 있는 최대 유용일은 50 kJ이다.

나머지 부분은 환경조건 때문에 일로 완전히 전환할 수 없다.

열원온도가 환경온도에 가까우면 엑서지가 작다

같은 100 kJ의 열이더라도 온도가 310 K이고 환경온도가 300 K라면 카르노 인자는 매우 작다.

\[
1-\frac{300}{310}
\approx
0.0323
\]

따라서 열의 엑서지는 다음과 같다.

\[
Ex_Q
=
100\times0.0323
\approx
\boxed{3.23\ \mathrm{kJ}}
\]

에너지양은 여전히 100 kJ이지만 일을 만들어낼 수 있는 능력은 매우 작다.

즉 환경과의 온도차가 작을수록 열에너지의 품질은 낮다고 볼 수 있다.

왜 공조냉동에서 엑서지가 중요한가

공조냉동에서는 발전소의 고온 증기보다 환경온도에 비교적 가까운 저온·중저온 열에너지를 많이 다룬다.

냉수, 냉각수, 온수, 실내공기와 냉매 사이의 열이동이 대표적이다.

이러한 시스템에서는 단순히 몇 kWh의 에너지가 사용되었는지만 보면 에너지의 품질 차이를 충분히 평가하기 어렵다.

엑서지 분석을 이용하면 고급에너지가 낮은 품질의 열수요에 과도하게 사용되고 있는지, 그리고 설비의 어느 부분에서 개선 가능한 잠재력이 많이 사라지고 있는지를 확인할 수 있다.

전기와 저온 열에너지의 차이

기계적 일이나 전기에너지는 이상적으로 모두 일로 변환할 수 있으므로 일의 형태로 전달되는 에너지의 엑서지는 그 에너지량과 같다.

반면 낮은 온도의 열에너지는 환경과의 온도차가 작을수록 엑서지 비율이 낮다.

따라서 고급에너지인 전기를 저온 난방열로 단순 변환하면 제1법칙 기준의 에너지전환효율은 높게 보일 수 있지만 제2법칙 관점에서는 높은 품질의 에너지를 낮은 품질의 열로 바꾸는 과정이 된다.

히트펌프와 엑서지

전기저항식 히터는 전기에너지를 거의 동일한 양의 열로 변환한다.

반면 히트펌프는 전기에너지를 직접 열로만 바꾸는 것이 아니라 외부의 저온 열을 고온측으로 이동시키는 데 사용한다.

따라서 난방효과는 투입 전력보다 클 수 있으며 COP는 1보다 커질 수 있다.

엑서지 관점에서는 고급에너지인 전기를 단순 저온열로 소모하는 대신 환경열을 이동시키는 데 이용하므로 열원과 공급온도가 적절하다면 보다 합리적인 에너지 품질의 매칭이 가능하다.

공조냉동에서 중요한 유동 엑서지

냉매, 공기, 냉수와 냉각수는 장치 내부를 계속 흐르므로 공조냉동에서는 유동 엑서지(Flow Exergy)가 중요하다.

단위질량당 물리적 유동 엑서지는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

\[
\boxed{
\psi
=
(h-h_0)
–
T_0(s-s_0)
+
\frac{V^2}{2}
+
gz
}
\]

여기서 ψ는 단위질량당 유동 엑서지, h는 비엔탈피, s는 비엔트로피, V는 유속, z는 기준면으로부터의 높이이며 아래첨자 0은 환경상태를 나타낸다.

운동에너지와 위치에너지 변화가 작은 일반적인 공조냉동 장치에서는 다음과 같이 근사할 수 있다.

\[
\boxed{
\psi
\approx
(h-h_0)
–
T_0(s-s_0)
}
\]

단위는 보통 kJ/kg이다.

왜 유동 엑서지에는 엔탈피와 엔트로피가 함께 들어가는가

유동 엑서지식을 보면 지금까지 배운 엔탈피와 엔트로피가 함께 등장한다.

엔탈피는 정상류 장치에서 유체가 가진 에너지의 양을 평가하는 데 유용하다.

그러나 에너지량만으로는 그 에너지가 얼마나 유용한지 판단할 수 없다.

엔트로피 항은 환경온도 T₀를 기준으로 에너지의 이용 가능성을 제한한다.

따라서 엑서지는 엔탈피와 엔트로피를 결합하여 유체가 현재 상태에서 환경상태까지 도달하면서 최대 얼마의 유용일을 제공할 수 있는지를 나타낸다.

엑서지는 열역학 제1법칙과 제2법칙을 연결한다

지금까지의 열역학 흐름을 간단하게 정리하면 다음과 같다.

열역학 제1법칙 → 에너지의 양을 보존한다.

열역학 제2법칙 → 자연과정의 방향과 비가역성을 결정한다.

엑서지 → 에너지 가운데 얻을 수 있는 최대 유용일을 평가한다.

따라서 엑서지 분석은 제1법칙과 제2법칙을 동시에 사용하는 분석이라고 볼 수 있다.

냉동사이클에서는 어디에서 엑서지가 파괴되는가

실제 증기압축 냉동사이클에서는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기와 배관 모두에서 어느 정도의 비가역성이 존재한다.

따라서 각 장치에서 엔트로피가 생성되고 엑서지가 파괴된다.

압축기

실제 압축기에서는 마찰, 난류, 내부 누설과 비가역 압축으로 엔트로피가 생성된다.

이상적인 단열압축에서는 엔트로피가 일정하지만 실제 단열압축에서는 일반적으로 다음과 같다.

\[
s_2>s_1
\]

따라서 실제 압축기에서는 엑서지 파괴가 발생한다.

\[
\boxed{
Ex_{\mathrm{dest}}
=
T_0S_{\mathrm{gen}}
>0
}
\]

응축기와 증발기

열교환기에서 유한한 시간과 면적으로 열을 전달하려면 냉매와 냉각수, 공기 또는 냉각대상 사이에 일정한 온도차가 필요하다.

유한한 온도차를 통한 열전달은 비가역적이므로 엔트로피 생성과 엑서지 파괴가 발생한다.

열교환 온도차를 줄이면 이러한 비가역성을 줄일 수 있지만 동일한 열량을 전달하기 위해 필요한 전열면적과 설비비는 증가할 수 있다.

따라서 실제 설계에서는 열역학적 성능과 경제성 사이의 절충이 필요하다.

팽창밸브

팽창밸브는 엑서지 개념을 이해하기에 매우 좋은 사례이다.

이상적인 교축과정에서는 다음 관계가 성립한다.

\[
\boxed{
h_3=h_4
}
\]

즉 엔탈피는 변하지 않는다.

제1법칙만 보면 에너지가 없어지지 않았다는 것을 확인할 수 있다.

그러나 교축은 강한 비가역과정이므로 엔트로피는 증가한다.

\[
s_4>s_3
\]

따라서 엑서지가 파괴된다.

팽창밸브는 에너지를 파괴하지 않지만 유용한 일을 얻을 수 있었던 가능성인 엑서지를 파괴한다.

배관과 덕트

배관과 덕트에서 발생하는 마찰성 압력손실도 비가역성이다.

압력손실이 증가하면 이를 보상하기 위한 압축기, 펌프 또는 송풍기의 동력이 증가할 수 있으며 엔트로피 생성과 엑서지 파괴 역시 증가한다.

왜 팽창밸브 대신 팽창기를 생각할 수 있는가

팽창밸브에서는 고압 유체가 가진 압력차를 이용하여 일을 생산하지 않고 교축으로 소산시킨다.

이론적으로 가역에 가까운 팽창기를 사용한다면 압력강하 과정에서 일부 일을 회수할 수 있다.

즉 팽창밸브에서 잃는 것은 에너지 자체라기보다 일을 만들어낼 수 있었던 잠재력이다.

이 잠재력의 감소를 엑서지 파괴라고 해석할 수 있다.

엑서지 효율

에너지효율과 별도로 시스템의 제2법칙적 성능을 나타내기 위해 엑서지효율을 사용할 수 있다.

가장 일반적인 개념은 다음과 같다.

\[
\boxed{
\eta_{\mathrm{ex}}
=
\frac{\text{유용한 엑서지 출력}}
{\text{투입 엑서지}}
}
\]

다만 엑서지효율의 정확한 분자와 분모는 장치와 분석목적에 따라 달라진다.

따라서 압축기, 냉동기, 열교환기 등에 모두 하나의 동일한 엑서지효율 공식을 적용해서는 안 되며 무엇을 유용한 산출물(Product)로 보고 무엇을 투입(Fuel)으로 볼 것인지 먼저 정의해야 한다.

냉동기의 제2법칙 효율

동일한 저온·고온 열원 사이에서 냉동기가 작동한다고 할 때 실제 냉동기의 COP를 카르노 냉동기의 최대 COP와 비교하여 제2법칙 효율을 표현할 수 있다.

\[
\boxed{
\eta_{II}
=
\frac{COP_{\mathrm{actual}}}
{COP_{\mathrm{Carnot}}}
}
\]

예를 들어 실제 냉동기의 COP가 3이고 동일한 두 열원 사이에서 카르노 냉동기의 COP가 6이라면 다음과 같다.

\[
\eta_{II}
=
\frac{3}{6}
=
0.50
\]

즉 실제 냉동기는 해당 두 온도 사이에서 가능한 최대 냉동성능의 50% 수준에 해당한다고 해석할 수 있다.

카르노 사이클과 엑서지

앞에서 배운 카르노 사이클은 완전 가역사이클이다.

따라서 엔트로피 생성은 0이다.

\[
S_{\mathrm{gen}}=0
\]

Gouy-Stodola 관계를 적용하면 다음과 같다.

\[
\boxed{
Ex_{\mathrm{dest}}=0
}
\]

따라서 카르노 사이클은 엑서지 파괴가 없는 이론적 기준이다.

반대로 실제 냉동사이클에서는 비가역성이 존재하므로 엔트로피가 생성되고 엑서지가 파괴되며 성능은 카르노 한계보다 낮아진다.

에너지 분석과 엑서지 분석은 무엇이 다른가

냉동기를 에너지 관점에서 분석하면 주로 냉동능력, 압축기 입력동력, 응축기 방열량과 COP를 살펴본다.

즉 얼마의 에너지가 들어오고 어디로 나가는지를 분석한다.

반면 엑서지 분석은 각 장치에서 일을 할 수 있는 가능성이 얼마나 파괴되고 있는지를 분석한다.

구분	에너지 분석	엑서지 분석
기본 법칙	제1법칙	제1·2법칙
주요 관심	에너지량	에너지의 이용 가능성
대표 지표	Q, W, COP	Ex, Exdest, ηex
비가역성 위치	직접 판단 어려움	장치별 엑서지 파괴로 확인
개선 목적	에너지 사용량 감소	유용한 일의 손실 원인 감소

따라서 엑서지 분석은 어느 장치가 가장 많은 에너지를 사용했는지만 보는 것이 아니라 어느 장치에서 개선 가능성이 가장 많이 사라지고 있는가를 찾는 데 유용하다.

엑서지 파괴와 엑서지 손실은 구분해야 한다

엑서지 파괴(Exergy Destruction)는 시스템 내부의 비가역성 때문에 발생한다.

\[
\boxed{
Ex_{\mathrm{dest}}
=
T_0S_{\mathrm{gen}}
}
\]

반면 엑서지 손실(Exergy Loss)은 사용되지 않은 엑서지가 시스템 경계를 넘어 외부로 배출되는 것을 의미한다.

따라서 시스템 전체 엑서지 분석에서는 내부에서 파괴된 엑서지와 경계를 통해 외부로 버려진 엑서지를 구분하는 것이 좋다.

공조냉동설비의 엑서지 개선 방향

엑서지 관점에서 설비를 개선하는 핵심은 비가역성을 줄이는 것이다.

• 압축기 등엔트로피 효율을 높인다.
• 배관과 덕트의 불필요한 압력손실을 줄인다.
• 열교환기의 과도한 온도차를 줄인다.
• 열교환기 오염과 착상을 관리한다.
• 불필요한 교축과 압력차를 줄인다.
• 필요한 범위에서 증발온도를 높게 유지한다.
• 운전조건이 허용하는 범위에서 응축온도를 낮게 유지한다.
• 폐열과 저온열을 적절한 용도에 회수한다.
• 고급에너지를 불필요하게 저급한 열수요에 사용하지 않는다.

다만 비가역성을 줄이는 것이 항상 경제적으로 최선이라는 뜻은 아니다.

예를 들어 열교환 온도차를 지나치게 줄이면 필요한 전열면적과 설비비가 증가할 수 있다.

따라서 실제 설계에서는 엑서지 파괴 감소와 초기비용, 운전비, 장치 크기, 유지관리성을 함께 고려해야 한다.

기술사 답안에서 중요한 포인트

「엑서지에 대하여 설명하시오」와 같은 단답형 문제에서는 먼저 정의와 환경기준을 명확하게 제시하는 것이 좋다.

첫째, 엑서지는 시스템이 환경과 평형에 도달할 때까지 가역적으로 변화하며 얻을 수 있는 최대 유용일이라고 정의한다.

둘째, 환경상태 T₀, P₀와 사상태를 설명한다.

셋째, 에너지는 보존되지만 비가역과정에서 엑서지는 파괴될 수 있음을 설명한다.

넷째, 다음 관계를 제시한다.

\[
\boxed{
Ex_{\mathrm{dest}}
=
T_0S_{\mathrm{gen}}
}
\]

다섯째, 공조냉동 적용 사례로 압축기의 비가역 압축, 열교환기의 유한 온도차, 팽창밸브의 교축과 배관 압력손실을 제시하면 좋다.

답안 여유가 있다면 열의 엑서지와 유동 엑서지 관계식을 추가하면 개념을 보다 완성도 있게 설명할 수 있다.

시험 직전 핵심 정리

• 엑서지는 시스템이 환경과 평형에 도달할 때까지 가역적으로 변화하며 얻을 수 있는 최대 유용일이다.
• 엑서지는 환경온도 T₀와 환경압력 P₀에 대한 상대적인 값이다.
• 사상태에서는 더 이상 유용일을 얻을 수 없으므로 물리적 엑서지가 0이다.
• 에너지는 보존되지만 비가역과정에서 엑서지는 파괴된다.
• 엑서지 파괴는 Ex_dest = T₀S_gen으로 나타낸다.
• 일정한 온도 T에서 전달되는 열의 엑서지는 Q(1-T₀/T)이다.
• 유동 엑서지는 운동·위치에너지를 무시하면 (h-h₀)-T₀(s-s₀)로 표현할 수 있다.
• 팽창밸브는 엔탈피는 일정하지만 엔트로피가 증가하므로 엑서지가 파괴되는 대표적인 장치이다.
• 엑서지 분석은 실제 설비에서 어디의 비가역성을 먼저 줄여야 하는지를 찾는 데 유용하다.