가역과정과 비가역과정: 엔트로피 생성과 냉동사이클의 비가역성

목차31개 항목

• 가역과 비가역을 왜 구분해야 하는가
• 가역과정이란 무엇인가
• 열역학적 평형과 가역과정
• 준정적 과정과 가역과정은 다르다
• 가역과정이 되기 위한 주요 조건
• 비가역과정이란 무엇인가
• 엔트로피 생성으로 가역과 비가역을 판단한다
• 엔트로피 변화와 엔트로피 생성은 다르다
• 가역 열전달에서는 엔트로피가 어떻게 변하는가
• 유한한 온도차 열전달은 왜 비가역적인가
• 자유팽창은 대표적인 비가역과정이다
• 교축과정은 공조냉동의 대표적인 비가역과정이다
• 단열과정과 등엔트로피 과정은 같은 것이 아니다
• 가역 단열과정이 등엔트로피 과정이다
• 가역 단열 압축과 실제 압축
• 비가역성이 압축동력을 증가시키는 이유
• 압축기의 등엔트로피 효율
• P-v 선도와 가역과정
• T-s 선도와 가역과정
• T-s 선도에서 실제 압축과 이상 압축
• 냉동사이클에서는 어디에서 비가역성이 발생하는가
• 열교환기의 온도차와 비가역성
• 압력손실을 줄이는 것도 비가역성을 줄이는 것이다
• 팽창밸브 대신 팽창기를 사용하면 어떻게 되는가
• 가역과정은 왜 최대 성능의 기준이 되는가
• 비가역성과 엑서지의 연결
• 가역과정과 비가역과정 비교
• 자주 혼동하는 내용
• 설계·운전에서 비가역성을 줄이는 방법
• 기술사 답안에서 중요한 포인트
• 시험 직전 핵심 정리

가역과 비가역을 왜 구분해야 하는가

실제 공조냉동설비에서는 압축기 마찰, 배관 압력손실, 팽창밸브의 교축, 열교환기의 온도차 등 다양한 손실이 발생한다. 이 과정에서 에너지가 사라지는 것은 아니다. 열역학 제1법칙에 따라 에너지의 양은 보존된다.

그러나 동일한 에너지라도 다시 유용한 일로 변환할 수 있는 능력은 달라질 수 있다. 실제 과정에서 이러한 이용 가능성이 감소하는 현상을 이해하려면 열역학 제2법칙과 비가역성의 개념이 필요하다.

가역과정은 실제 장치가 도달할 수 있는 이상적인 기준을 제공하고, 비가역과정은 실제 장치가 그 기준에서 왜 벗어나는지를 설명한다.

따라서 가역·비가역 과정은 이후 카르노 사이클, 압축기의 등엔트로피 효율, 실제 냉동사이클과 엑서지를 이해하기 위한 핵심 이론이다.

함께 참고하면 좋은 글: 카르노 사이클과 역카르노 냉동사이클

함께 참고하면 좋은 글: 열역학 제0·1·2·3법칙

가역과정이란 무엇인가

가역과정(Reversible Process)은 과정을 반대로 진행시켰을 때 시스템뿐 아니라 주위까지 모두 원래 상태로 복원할 수 있으며 어떠한 순변화도 남기지 않는 이상적인 과정이다.

핵심은 시스템만 원래 상태로 돌아오는 것이 아니라 시스템과 주위가 모두 완전히 복원되어야 한다는 점이다.

가역과정은 실제 설비에서 완벽하게 구현하기는 어렵다. 실제 과정에는 마찰, 점성, 유한한 온도차, 압력손실과 같은 비가역성이 존재하기 때문이다.

그럼에도 가역과정이 중요한 이유는 실제 장치의 성능을 평가할 수 있는 이론적인 기준이 되기 때문이다.

열역학적 평형과 가역과정

가역과정을 이해하려면 먼저 열역학적 평형을 이해해야 한다.

시스템 내부에 온도차, 압력차, 농도차 등 변화를 일으킬 구동력이 존재하지 않는 상태를 열역학적 평형상태라고 한다.

가역과정은 일련의 평형상태를 무한히 가까운 간격으로 통과하는 이상적인 과정으로 생각할 수 있다.

즉 과정이 진행되는 동안 시스템 내부 상태를 압력, 온도와 같은 상태량으로 계속 명확하게 정의할 수 있어야 한다.

준정적 과정과 가역과정은 다르다

준정적 과정(Quasi-static Process)은 과정이 매우 천천히 진행되어 시스템이 매 순간 열역학적 평형상태에 매우 가까이 있는 과정이다.

그러나 준정적이라고 해서 반드시 가역적인 것은 아니다.

예를 들어 피스톤이 매우 천천히 움직이더라도 피스톤과 실린더 사이에 마찰이 존재하면 마찰로 인해 엔트로피가 생성된다.

따라서 가역과정이 되기 위해서는 준정적인 진행뿐 아니라 마찰, 점성, 유한 온도차 열전달 등 모든 비가역성이 제거되어야 한다.

준정적 과정은 가역과정의 중요한 조건이지만 충분조건은 아니다.

가역과정이 되기 위한 주요 조건

마찰과 점성이 없어야 한다

고체 사이의 마찰이나 유체의 점성은 기계적 에너지를 내부에너지로 분산시키며 엔트로피를 생성한다.

따라서 마찰이나 점성손실이 존재하는 실제 과정은 완전한 가역과정이 될 수 없다.

열전달은 무한소의 온도차에서 이루어져야 한다

서로 다른 온도의 두 물체 사이에는 자연스럽게 열이 이동한다. 그러나 유한한 온도차를 통해 발생하는 열전달은 비가역과정이다.

가역적인 열전달에 접근하려면 열을 주고받는 두 물체 사이의 온도차가 무한히 작아져야 한다.

\[
\Delta T \rightarrow 0
\]

실제 열교환기에서는 유한한 시간과 면적으로 열을 전달해야 하므로 일정한 온도차가 필요하다. 따라서 실제 열교환기는 필연적으로 어느 정도의 비가역성을 가진다.

기계적 과정은 무한소의 압력차로 진행해야 한다

피스톤 내부의 압력을 P, 외부압력을 P_ext라고 하자.

가역적인 팽창 또는 압축에 접근하려면 두 압력의 차가 무한히 작아야 한다.

\[
P-P_{\mathrm{ext}}\rightarrow0
\]

큰 압력차에 의해 급격하게 유체가 움직이거나 팽창하면 비가역성이 발생한다.

비가역과정이란 무엇인가

비가역과정(Irreversible Process)은 과정을 단순히 역전시키는 것만으로 시스템과 주위를 모두 원래 상태로 복원할 수 없는 과정이다.

현실의 공조냉동 장치에서 일어나는 대부분의 과정은 비가역적이다.

대표적인 원인에는 마찰, 점성, 난류, 유한 온도차 열전달, 자유팽창, 교축, 유체 혼합, 비탄성 변형과 전기저항 등이 있다.

비가역성 원인	공조냉동의 대표 사례
마찰·점성	압축기, 펌프, 송풍기, 배관
유한 온도차 열전달	증발기, 응축기, 공조코일
마찰성 압력손실	배관, 덕트, 밸브, 열교환기
교축	팽창밸브, 모세관
혼합	공기혼합, 유체혼합
자유팽창	비가역과정의 대표적인 이론 사례

엔트로피 생성으로 가역과 비가역을 판단한다

가역성과 비가역성을 가장 명확하게 구분하는 열역학적 기준은 엔트로피 생성량이다.

엔트로피 생성량은 S_gen으로 나타내며 열역학 제2법칙에 의해 다음 조건을 만족한다.

\[
\boxed{
S_{\mathrm{gen}}\ge0
}
\]

가역과정에서는 엔트로피 생성이 없다.

\[
\boxed{
S_{\mathrm{gen}}=0
\qquad
\text{가역과정}
}
\]

비가역과정에서는 엔트로피가 생성된다.

\[
\boxed{
S_{\mathrm{gen}}>0
\qquad
\text{비가역과정}
}
\]

따라서 엔트로피 생성량은 실제 과정이 이상적인 가역과정에서 얼마나 벗어났는지를 나타내는 중요한 척도이다.

엔트로피 변화와 엔트로피 생성은 다르다

여기에서 반드시 구분해야 할 것이 있다.

엔트로피 변화 ΔS와 엔트로피 생성 S_gen은 같은 개념이 아니다.

폐쇄계의 엔트로피 수지는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

\[
\boxed{
S_2-S_1
=
\int_1^2
\frac{\delta Q}{T_b}
+
S_{\mathrm{gen}}
}
\]

여기서 T_b는 열이 통과하는 시스템 경계의 절대온도이다.

첫 번째 항은 열과 함께 시스템 경계를 통과한 엔트로피이고, S_gen은 시스템 내부의 비가역성 때문에 새롭게 생성된 엔트로피이다.

따라서 가역과정에서 S_gen = 0이라고 해서 시스템의 엔트로피 변화까지 반드시 0인 것은 아니다.

가역적으로 열을 공급하면 시스템의 엔트로피는 증가할 수 있다.

가역 열전달에서는 엔트로피가 어떻게 변하는가

가역적인 미소 열전달에서는 다음 관계가 성립한다.

\[
dS
=
\frac{\delta Q_{\mathrm{rev}}}{T}
\]

따라서 상태 1에서 상태 2까지의 엔트로피 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

\[
S_2-S_1
=
\int_1^2
\frac{\delta Q_{\mathrm{rev}}}{T}
\]

즉 가역과정에서도 열전달이 존재하면 시스템의 엔트로피는 변할 수 있다.

유한한 온도차 열전달은 왜 비가역적인가

온도 T_H인 고온 열원에서 T_L인 저온 열원으로 열량 Q가 이동한다고 하자.

고온 열원의 엔트로피 감소는 다음과 같다.

\[
\Delta S_H
=
-\frac{Q}{T_H}
\]

저온 열원의 엔트로피 증가는 다음과 같다.

\[
\Delta S_L
=
\frac{Q}{T_L}
\]

따라서 전체 엔트로피 생성은 다음과 같다.

\[
\boxed{
S_{\mathrm{gen}}
=
Q
\left(
\frac{1}{T_L}
–
\frac{1}{T_H}
\right)
>0
}
\]

T_H > T_L이므로 전체 엔트로피는 증가한다. 즉 유한한 온도차를 통한 열전달은 본질적으로 비가역적이다.

간단한 계산 예제

400 K의 고온 열원에서 300 K의 저온 열원으로 100 kJ의 열이 전달된다고 하자.

주어진 값은 Q = 100 kJ, T_H = 400 K, T_L = 300 K이다.

\[
S_{\mathrm{gen}}
=
100
\left(
\frac{1}{300}
–
\frac{1}{400}
\right)
\]

계산하면 다음과 같다.

\[
\boxed{
S_{\mathrm{gen}}
=
0.0833\ \mathrm{kJ/K}
}
\]

에너지는 100 kJ 그대로 전달되지만 열전달 과정에서 0.0833 kJ/K의 엔트로피가 생성된다.

자유팽창은 대표적인 비가역과정이다

단열된 강체용기의 한쪽에 기체가 있고 반대쪽은 진공이라고 하자. 칸막이를 제거하면 기체는 진공 쪽으로 자유롭게 팽창한다.

강체용기이므로 경계일은 발생하지 않고 외부와 단열되어 있다면 열전달도 없다.

따라서

\[
Q=0,\qquad W=0
\]

이고 열역학 제1법칙에 따라 다음과 같다.

\[
\boxed{
\Delta U=0
}
\]

이상기체라면 내부에너지는 온도만의 함수이므로 초기와 최종 평형상태의 온도도 같다.

그러나 기체가 차지할 수 있는 체적은 증가하므로 엔트로피는 증가한다.

\[
\boxed{
\Delta S>0
}
\]

즉 열도 들어오지 않았고 일도 하지 않았으며 에너지도 보존되지만 과정 자체는 강하게 비가역적일 수 있다.

교축과정은 공조냉동의 대표적인 비가역과정이다

증기압축 냉동사이클의 팽창밸브에서는 냉매의 압력이 급격하게 감소한다.

팽창밸브를 단열 정상류 장치로 보고 축일과 입출구 운동·위치에너지 변화를 무시하면 열역학 제1법칙에 의해 다음 관계가 성립한다.

\[
\boxed{
h_3=h_4
}
\]

즉 이상적인 교축과정은 등엔탈피 과정이다.

그러나 교축은 가역적인 팽창이 아니며 엔트로피를 생성한다.

\[
\boxed{
s_4>s_3
}
\]

따라서 팽창밸브의 핵심은 다음과 같이 정리할 수 있다.

등엔탈피 + 엔트로피 증가 = 비가역 교축

단열과정과 등엔트로피 과정은 같은 것이 아니다

단열과정은 시스템과 주위 사이에 열전달이 없다는 의미다.

즉 Q = 0이다.

그러나 열전달이 없더라도 마찰, 점성, 난류, 교축 등의 비가역성이 존재하면 엔트로피가 생성된다.

단열 폐쇄계에서는 엔트로피 수지가 다음과 같이 단순화된다.

\[
\boxed{
S_2-S_1
=
S_{\mathrm{gen}}
}
\]

따라서 단열 비가역과정에서는 다음과 같다.

\[
\boxed{
S_2>S_1
}
\]

가역 단열과정이 등엔트로피 과정이다

단열과정에서 Q = 0이고 동시에 가역과정이어서 S_gen = 0이면 엔트로피 변화도 0이다.

\[
\boxed{
\text{가역}
+
\text{단열}
\Rightarrow
\text{등엔트로피}
}
\]

따라서

\[
s_1=s_2
\]

가 된다.

그러나 역으로 엔트로피가 일정하다는 사실 하나만으로 실제 과정이 반드시 가역 단열과정이라고 단정해서는 안 된다. 과정의 열전달과 엔트로피 생성 조건을 함께 확인해야 한다.

가역 단열 압축과 실제 압축

냉동기의 압축과정을 비교하면 가역성과 비가역성의 의미가 가장 명확하게 드러난다.

이상적인 압축

이상 압축기는 가역 단열압축, 즉 등엔트로피 압축으로 가정한다.

압축기 입구를 상태 1, 같은 토출압력까지 이상적으로 압축한 상태를 2s라고 하면 다음과 같다.

\[
\boxed{
s_1=s_{2s}
}
\]

실제 압축

실제 압축기에는 마찰, 난류, 유동손실, 내부 누설 등의 비가역성이 존재한다.

압축기를 단열장치로 근사할 수 있다면 실제 토출상태의 엔트로피는 일반적으로 증가한다.

\[
\boxed{
s_2>s_1
}
\]

비가역성이 압축동력을 증가시키는 이유

동일한 흡입상태에서 동일한 토출압력까지 압축한다고 하자.

이상적인 등엔트로피 압축에 필요한 단위질량당 일은 다음과 같다.

\[
w_{\mathrm{is}}
=
h_{2s}-h_1
\]

실제 단열 압축에 필요한 일은 다음과 같다.

\[
w_{\mathrm{actual}}
=
h_2-h_1
\]

일반적인 실제 압축기에서는 같은 토출압력에서 h₂ > h_2s이므로 다음 관계가 성립한다.

\[
\boxed{
w_{\mathrm{actual}}
>
w_{\mathrm{is}}
}
\]

즉 비가역성이 증가하면 동일한 압축 목적을 달성하는 데 더 많은 입력동력이 필요하다.

압축기의 등엔트로피 효율

실제 압축기가 이상적인 등엔트로피 압축에서 얼마나 벗어났는지를 나타내기 위해 등엔트로피 효율을 사용한다.

\[
\boxed{
\eta_{\mathrm{is}}
=
\frac{h_{2s}-h_1}
{h_2-h_1}
}
\]

여기서 h₁은 압축기 입구 비엔탈피, h_2s는 동일한 토출압력까지 등엔트로피 압축했을 때의 비엔탈피, h₂는 실제 토출 비엔탈피이다.

분자는 이상적인 최소 압축일이고 분모는 실제 압축일에 해당한다.

따라서 일반적인 실제 압축기에서는 η_is < 1이다.

P-v 선도와 가역과정

준정적인 압축·팽창 과정에서는 시스템의 압력을 각 상태에서 정의할 수 있으므로 경계일을 다음과 같이 계산한다.

\[
\boxed{
W
=
\int_1^2 P\,dV
}
\]

따라서 P-v 또는 P-V 선도에서 준정적 과정곡선 아래의 면적은 경계일과 연결된다.

반면 자유팽창과 같이 급격한 비가역과정에서는 시스템 내부가 평형상태가 아니므로 하나의 균일한 시스템 압력으로 과정 전체를 표현하기 어렵다.

이러한 경우 실제 경계일을 구하려면 외부압력 등의 실제 상호작용을 고려해야 한다.

T-s 선도와 가역과정

내부가역적인 열전달 과정에서는 다음 관계가 성립한다.

\[
\delta Q_{\mathrm{rev}}
=
T\,dS
\]

따라서 상태 1에서 상태 2까지의 가역 열전달량은 다음과 같다.

\[
\boxed{
Q_{\mathrm{rev}}
=
\int_1^2 T\,dS
}
\]

즉 T-s 선도에서 내부가역 과정곡선 아래의 면적은 열전달량과 연결된다.

따라서 다음 관계를 함께 기억하면 좋다.

P-v 선도 → 준정적 경계일

T-s 선도 → 내부가역 열전달량

T-s 선도에서 실제 압축과 이상 압축

등엔트로피 압축에서는 엔트로피가 일정하므로 T-s 선도에서 이상 압축선은 수직 방향으로 나타난다.

실제 단열압축에서는 비가역성으로 엔트로피가 증가하므로 실제 토출상태는 이상 토출상태보다 오른쪽에 위치한다.

이 관계를 그림으로 나타내면 이상 압축과 실제 압축의 차이를 직관적으로 확인할 수 있다.

냉동사이클에서는 어디에서 비가역성이 발생하는가

압축기

마찰, 점성, 난류, 내부 누설, 압력손실 등으로 엔트로피가 생성된다. 이로 인해 실제 압축동력은 이상적인 등엔트로피 압축보다 커진다.

응축기

냉매와 냉각수 또는 외기 사이의 유한한 온도차로 열이 전달되므로 엔트로피가 생성된다.

팽창밸브

큰 압력차에서 일어나는 교축 자체가 강한 비가역과정이다. 엔탈피는 거의 일정하지만 엔트로피는 증가한다.

증발기

냉매와 냉각대상 사이의 유한한 온도차를 통해 열이 전달되므로 비가역성이 발생한다.

배관

유체의 점성과 벽면 마찰에 의한 압력손실이 발생하고, 이를 극복하기 위해 추가적인 압축기·펌프·팬 동력이 필요할 수 있다.

열교환기의 온도차와 비가역성

열교환기의 냉매와 물 또는 공기 사이 온도차를 줄이면 열전달 과정의 엔트로피 생성을 줄일 수 있다.

그러나 동일한 열량을 더 작은 온도차로 전달하려면 일반적으로 더 큰 전열면적이나 높은 열전달성능이 필요하다.

즉 열역학적 관점에서는 작은 온도차가 유리하지만 설비 규모와 초기비용은 증가할 수 있다.

따라서 실제 설계에서는 비가역성 감소와 경제성 사이의 절충이 필요하다.

압력손실을 줄이는 것도 비가역성을 줄이는 것이다

배관과 덕트의 마찰성 압력손실이 커지면 유체를 이송하기 위해 더 큰 펌프 또는 송풍기 동력이 필요하다.

따라서 적절한 관경·덕트 크기 선정, 과도한 국부저항 억제, 열교환기와 필터의 적정 압력손실 관리는 단순한 동력절감뿐 아니라 시스템의 비가역성을 줄이는 의미도 가진다.

팽창밸브 대신 팽창기를 사용하면 어떻게 되는가

팽창밸브에서는 냉매의 압력을 낮추는 과정에서 일을 회수하지 못하고 엔트로피를 생성한다.

이론적으로 가역에 가까운 팽창기를 사용하면 팽창과정에서 일부 일을 회수하고 팽창 후 냉매의 엔탈피를 더 낮출 수 있으므로 냉동효과와 COP를 개선할 가능성이 있다.

그러나 일반적인 증기압축 냉동장치에서는 회수 가능한 일이 시스템 규모에 비해 크지 않을 수 있고, 팽창기의 구조·비용·신뢰성과 2상 유동 문제가 추가된다.

이 때문에 일반적인 냉동·공조설비에서는 구조가 단순하고 제어가 쉬운 팽창밸브가 널리 사용된다.

반면 압력차가 크고 팽창손실의 영향이 큰 일부 CO₂ 초임계 냉동시스템에서는 이젝터나 팽창기를 이용하여 팽창과정의 손실을 줄이고 에너지를 회수하는 기술도 활용된다.

가역과정은 왜 최대 성능의 기준이 되는가

비가역성이 존재하면 엔트로피가 생성되며 시스템이 유용한 일을 생산하거나 절약할 수 있는 가능성이 감소한다.

따라서 동일한 조건에서 터빈이나 열기관처럼 일을 생산하는 장치는 가역과정이 최대 가능한 일을 나타내는 기준이 된다.

반대로 압축기와 펌프처럼 일을 공급해야 하는 장치에서는 이상적인 가역과정이 최소 필요 입력일의 기준이 된다.

이것이 실제 장치의 효율을 이상적인 가역과정과 비교하는 이유이다.

비가역성과 엑서지의 연결

엔트로피 생성은 단순히 엔트로피 값이 증가했다는 의미를 넘어 유용한 일을 얻을 수 있는 잠재력이 감소했다는 의미를 가진다.

주위온도를 T₀라고 할 때 비가역성에 의한 엑서지 파괴는 다음 관계로 연결된다.

\[
\boxed{
E_D
=
T_0S_{\mathrm{gen}}
}
\]

이는 Gouy-Stodola 관계로 볼 수 있으며 T₀는 절대온도로 사용한다.

엔트로피 생성이 증가할수록 파괴되는 엑서지도 증가한다. 이 관계는 이후 엑서지 이론에서 자세하게 다룬다.

함께 참고하면 좋은 글: 엑서지란 무엇인가

가역과정과 비가역과정 비교

구분	가역과정	비가역과정
의미	시스템과 주위를 완전히 복원 가능한 이상과정	완전한 복원이 불가능한 실제 과정
마찰·점성	없음	존재 가능
열전달 온도차	무한소	유한
기계적 압력차	무한소	유한한 구동차 및 손실 존재
엔트로피 생성	Sgen = 0	Sgen > 0
역할	이론적 성능 기준	실제 설비 과정
대표 사례	이상 등엔트로피 압축	실제 압축·교축·마찰성 유동

자주 혼동하는 내용

가역과정은 실제로 천천히 진행되는 과정인가

단순히 천천히 진행된다고 가역적인 것은 아니다. 매우 천천히 움직여도 마찰, 점성 또는 기타 비가역성이 있으면 비가역과정이다.

단열이면 등엔트로피인가

아니다. 단열은 열전달이 없다는 의미일 뿐이다. 단열과정에 비가역성이 존재하면 엔트로피가 증가한다.

가역과 단열 조건이 함께 만족될 때 등엔트로피 과정이 된다.

가역이면 엔트로피가 변하지 않는가

아니다. 가역과정의 조건은 엔트로피 생성량 S_gen이 0이라는 것이다. 가역적으로 열을 전달하면 시스템 엔트로피는 증가하거나 감소할 수 있다.

압력이 감소하면 항상 비가역적인가

아니다. 압력 감소 자체가 곧 비가역성을 의미하지는 않는다. 가역적인 팽창에서도 압력은 감소할 수 있다.

배관 마찰, 밸브 교축처럼 소산현상에 의해 발생하는 압력손실이 비가역성과 연결된다.

팽창밸브에서 에너지가 소멸하는가

아니다. 팽창밸브에서도 제1법칙은 만족한다. 이상적인 교축에서는 엔탈피가 일정하지만 엔트로피가 생성되어 에너지의 이용 가능성이 감소한다.

설계·운전에서 비가역성을 줄이는 방법

실제 설비에서 모든 비가역성을 제거할 수는 없다. 오히려 비가역성을 완전히 제거하려 하면 열교환기 면적이나 설비비가 지나치게 증가할 수 있다.

따라서 공조냉동 설계에서는 압축기 효율 향상, 배관·덕트 압력손실 억제, 적절한 열교환 온도차, 열교환기 오염 방지, 불필요한 교축과 압력차 감소 등을 통해 경제적으로 타당한 범위에서 비가역성을 줄이는 것이 중요하다.

즉 실무의 목표는 완전한 가역성을 실현하는 것이 아니라 비가역성의 원인을 파악하고 비용 대비 효과가 큰 손실부터 줄이는 것이다.

기술사 답안에서 중요한 포인트

가역과정과 비가역과정을 설명하는 문제에서는 정의만 비교하는 것보다 열역학 제2법칙과 엔트로피 생성까지 연결하는 것이 좋다.

먼저 가역과정을 시스템과 주위에 순변화를 남기지 않고 원상태로 복귀할 수 있는 이상적인 과정으로 정의한다.

다음으로 준정적 진행, 마찰 없음, 무한소 온도차와 압력차 등 가역조건을 설명한다.

비가역과정에서는 마찰, 유한 온도차 열전달, 교축, 자유팽창, 혼합, 점성 등에 의해 엔트로피가 생성된다는 점을 제시한다.

핵심적인 판정식은 다음과 같다.

\[
\boxed{
\begin{aligned}
S_{\mathrm{gen}}&=0
&&:\;\text{가역과정}\\
S_{\mathrm{gen}}&>0
&&:\;\text{비가역과정}
\end{aligned}
}
\]

마지막으로 냉동사이클의 이상·실제 압축과 팽창밸브를 사례로 연결하면 이론적 의미와 공조냉동 적용을 함께 보여줄 수 있다.

함께 참고하면 좋은 글: 엔탈피의 의미와 유동일

시험 직전 핵심 정리

• 가역과정은 시스템과 주위를 모두 원상복귀시킬 수 있는 이상적인 기준과정이다.
• 준정적 과정이라고 해서 반드시 가역적인 것은 아니며 모든 비가역성이 제거되어야 한다.
• 가역과정은 S_gen = 0, 비가역과정은 S_gen > 0이다.
• 단열과정이 항상 등엔트로피인 것은 아니며 가역 단열과정이 등엔트로피 과정이다.
• 이상 압축은 s₁ = s_2s, 실제 단열 압축은 일반적으로 s₂ > s₁이다.
• 팽창밸브는 등엔탈피 교축이지만 엔트로피가 증가하는 대표적인 비가역장치이다.
• 실제 설계에서는 비가역성을 완전히 제거하기보다 열역학적 성능과 경제성을 함께 고려해 손실을 줄인다.