열역학 기초: 온도·압력·열·일과 밀도·비중·비중량·비체적

목차11개 항목

• 열역학에서 온도·압력·열·일을 먼저 알아야 하는 이유
• 온도와 절대온도
• 압력과 절대압력·게이지압력
• 열과 열량
• 일과 동력
• 밀도·비중·비중량·비체적
• 비체적과 상태방정식의 연결
• 공조냉동 설비에서는 어떻게 사용되는가
• 자주 혼동하는 내용
• 기술사 답안에서 중요한 포인트
• 시험 직전 핵심 정리

열역학에서 온도·압력·열·일을 먼저 알아야 하는 이유

냉동기, 히트펌프, 보일러, 공기조화설비에서 일어나는 현상은 결국 물질의 상태 변화와 에너지 이동으로 설명할 수 있다. 이때 물질이 현재 어떤 상태인지를 설명하는 대표적인 물리량이 온도와 압력이며, 밀도와 비체적도 상태를 설명하는 데 중요한 역할을 한다.

반면 열과 일은 시스템 내부에 저장되어 있는 물리량이 아니다. 열과 일은 시스템과 주위 사이에서 에너지가 전달되는 방식이다. 이 차이를 이해하는 것이 앞으로 배울 상태량, 내부에너지, 엔탈피, 엔트로피와 열역학 제1법칙을 이해하는 출발점이다.

구분	의미	특징
온도 T	열적 상태를 나타내는 물리량	상태량
압력 P	단위면적에 작용하는 수직 힘	상태량
밀도 ρ, 비체적 v	질량과 체적의 관계	상태량
열 Q	온도차에 의해 전달되는 에너지	상태량이 아님
일 W	힘·압축·팽창 등에 의해 전달되는 에너지	상태량이 아님

온도와 절대온도

온도의 물리적 의미

온도는 물체가 어느 정도 뜨겁거나 차가운지를 나타내는 열적 상태량이다. 열역학적으로는 두 물체가 접촉했을 때 열이 어느 방향으로 이동하는지를 결정하는 물리량으로 이해하는 것이 중요하다.

두 물체의 온도가 서로 다르면 특별한 외부 작용이 없는 한 열은 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동한다. 따라서 온도는 열의 양 자체가 아니라 열적 상태를 나타내는 척도이다.

온도가 높다고 반드시 물체가 가진 에너지의 총량이 많은 것은 아니다. 예를 들어 소량의 고온수보다 대량의 저온수가 더 많은 에너지를 가질 수 있다. 따라서 온도와 열량은 서로 다른 개념이다.

섭씨온도와 화씨온도

섭씨온도와 화씨온도의 관계는 다음과 같다.

℃ = 5 / 9 × (℉ – 32)

℉ = 9 / 5 × ℃ + 32

국내 공조냉동 분야에서는 주로 섭씨온도를 사용하지만 해외 기술자료를 검토할 때는 화씨온도가 등장할 수 있으므로 기본적인 변환관계는 알아둘 필요가 있다.

절대온도와 켈빈

열역학 계산에서는 섭씨온도보다 절대온도인 켈빈을 사용한다.

T(K) = t(℃) + 273.15

따라서 0℃는 273.15 K이며 절대영도 0 K는 -273.15℃에 해당한다. 켈빈은 온도 단위에 도 기호를 사용하지 않는다는 점도 주의한다.

절대온도가 중요한 이유는 이상기체 상태방정식, 카르노 사이클, 엔트로피 등 주요 열역학 관계식에서 온도의 절대적인 크기가 필요하기 때문이다.

온도차에서는 ℃와 K의 크기가 같다

섭씨온도와 켈빈의 기준점은 273.15만큼 차이가 있지만 한 눈금의 크기는 같다. 따라서 12℃에서 7℃로 냉각되었다면 온도차는 5℃이며 동시에 5 K이다.

Δt(℃) = ΔT(K)

이 성질은 열량 계산에서 매우 자주 이용된다.

압력과 절대압력·게이지압력

압력의 정의

압력은 단위면적에 수직으로 작용하는 힘이다.

P = F / A

여기서 P는 압력, F는 힘, A는 면적이다. SI 단위는 Pa이며 1 Pa는 1 N/m²이다.

실제 공조냉동 설비에서는 Pa보다 kPa와 MPa가 많이 사용되며 bar도 자주 접하게 된다.

압력 단위	관계
Pa	1 N/m2
kPa	1,000 Pa
MPa	1,000 kPa
bar	100 kPa
atm	101.325 kPa

과거 교재나 현장자료에서는 kgf/cm², mmHg, mH₂O 등의 단위도 사용한다. 이들 단위는 필요한 경우 SI 단위로 변환하여 사용하는 것이 좋다.

대기압

표준대기압 1 atm은 다음과 같다.

1 atm = 101,325 Pa = 101.325 kPa = 1.01325 bar = 760 mmHg

물기둥으로 환산하면 약 10.33 mH₂O에 해당한다. 수두 환산값은 사용하는 물의 밀도와 중력가속도 조건에 따라 소수점 이하 값이 달라질 수 있다.

절대압력과 게이지압력

절대압력은 완전진공을 0으로 놓고 측정한 압력이다. 반면 현장에서 사용하는 일반적인 압력계는 대기압을 기준 0으로 표시하기 때문에 게이지압력을 나타낸다.

두 압력의 관계는 다음과 같다.

P_abs = P_atm + P_g

여기서 P_abs는 절대압력, P_atm은 대기압, P_g는 게이지압력이다.

예를 들어 대기압이 101.3 kPa이고 압력계가 500 kPa를 나타낸다면 절대압력은 다음과 같다.

P_abs = 101.3 + 500 = 601.3 kPa

냉매의 상태방정식이나 열역학 선도를 이용할 때는 원칙적으로 절대압력을 사용해야 한다.

진공압력

시스템 내부 압력이 대기압보다 낮으면 진공상태라고 표현한다. 진공도를 압력차로 나타내면 다음 관계를 사용할 수 있다.

P_vac = P_atm – P_abs

진공작업, 냉동시스템의 진공건조, 저압측 상태를 이해할 때 절대압력과 게이지압력을 혼동하지 않는 것이 중요하다.

열과 열량

열은 저장된 물질이 아니라 전달되는 에너지다

열은 온도차로 인해 시스템과 주위 사이에서 전달되는 에너지이다. 따라서 엄밀한 열역학에서는 물체가 열을 저장하고 있다고 표현하지 않는다.

시스템이 보유하는 것은 내부에너지 등의 에너지이며, 열은 시스템 경계를 통하여 에너지가 이동하는 과정에서만 정의된다.

SI에서 열의 단위는 J 또는 kJ이다. 과거 공조냉동 분야에서는 kcal도 많이 사용하였다. 기존 공학자료에서는 약 1 kcal = 4.1868 kJ의 환산관계를 접할 수 있다.

현열

현열은 물질의 상변화 없이 온도를 변화시키는 데 필요한 열이다. 비열을 일정하다고 볼 수 있는 범위에서는 다음 식을 사용할 수 있다.

Q_s = m c ΔT

여기서 Q_s는 현열량(kJ), m은 질량(kg), c는 비열(kJ/(kg·K)), ΔT는 온도차(K)이다.

예를 들어 물 10 kg의 온도를 5 K 상승시키고 물의 비열을 4.186 kJ/(kg·K)로 가정하면 필요한 열량은 다음과 같다.

Q = 10 × 4.186 × 5 = 209.3 kJ

잠열

잠열은 물질의 상태가 변할 때 흡수되거나 방출되는 열이다. 순수물질이 일정한 압력에서 상변화하는 경우 상변화 과정 중 온도는 일정하게 유지될 수 있다.

Q_L = m L

여기서 Q_L은 잠열량(kJ), m은 질량(kg), L은 단위질량당 잠열(kJ/kg)이다.

냉동기의 증발기에서는 냉매의 증발잠열을 이용하여 냉각대상으로부터 열을 흡수하며, 응축기에서는 냉매가 응축하면서 열을 방출한다. 따라서 잠열은 증기압축 냉동사이클의 핵심적인 에너지 전달과 직접 연결된다.

비열과 열용량의 차이

비열은 단위질량의 물질 온도를 1 K 변화시키는 데 필요한 열량이다. 반면 열용량은 물체 전체의 온도를 1 K 변화시키는 데 필요한 열량이다.

C = m c

따라서 같은 재질이라도 질량이 증가하면 전체 열용량은 증가한다.

기체에서는 일정압력 비열 c_p와 일정체적 비열 c_v를 구분한다. 이 차이는 이후 이상기체와 엔탈피를 공부할 때 본격적으로 다룬다.

열량과 열전달률

열량 Q와 단위시간당 전달되는 열량은 구분해야 한다.

열량의 단위는 kJ이고 열전달률은 다음과 같이 나타낸다.

Q̇ = Q / t

1 kW는 1 kJ/s이므로 냉동능력 100 kW라는 표현은 열량 100 kJ 자체가 아니라 매초 100 kJ의 열을 이동시키는 능력을 의미한다.

일과 동력

일의 정의

일은 힘에 의해 물체가 이동하거나 시스템의 경계가 이동하면서 전달되는 에너지이다. 힘의 방향과 이동방향이 같은 단순한 경우에는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

W = F s

여기서 W는 일(J), F는 힘(N), s는 이동거리(m)이다.

따라서 SI 단위에서 1 J는 1 N·m이다.

열역학에서의 팽창일

피스톤과 실린더 안에 있는 기체를 생각하면 기체가 팽창하면서 피스톤을 밀어 외부에 일을 할 수 있다.

준정적 과정에서 미소 경계일은 다음과 같다.

δW = P dV

과정 전체의 일은 다음과 같다.

W = ∫ P dV

따라서 압력-체적 선도에서 과정곡선 아래의 면적은 경계일과 관계된다.

단위질량 기준에서는 체적 V 대신 비체적 v를 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

w = ∫ P dv

압축기에서의 일

냉동기의 압축기는 외부에서 전동기 동력을 받아 냉매에 에너지를 전달한다. 냉매는 압축기를 통과하면서 일반적으로 압력과 온도가 상승한다.

따라서 증기압축 냉동사이클은 증발기에서 열을 흡수하고, 압축기에서 일을 공급받고, 응축기에서 열을 방출하는 에너지 흐름으로 이해할 수 있다.

압축기의 일을 엔탈피로 표현하는 방법은 엔탈피와 정상류 에너지방정식을 공부한 뒤 연결한다.

일과 동력의 차이

일 W는 전달된 에너지의 양이고 동력은 단위시간당 수행하는 일이다.

Ẇ = W / t

동력의 SI 단위는 W이며 1 W는 1 J/s이다. 기호 W가 일과 와트 모두에 사용될 수 있으므로 열역학 식에서는 일 W와 동력 Ẇ를 문맥으로 구분한다.

밀도·비중·비중량·비체적

상태방정식을 배우기 전에 밀도와 비체적의 관계를 반드시 이해해야 한다. 특히 비체적은 이상기체 상태방정식과 압력-비체적 선도에서 계속 사용된다.

밀도

밀도는 단위체적에 포함된 질량이다.

ρ = m / V

SI 단위는 kg/m³이다.

같은 체적이라면 포함된 질량이 많을수록 밀도가 크다. 물의 밀도는 일반적인 공학계산에서 약 1,000 kg/m³로 취급할 수 있지만 실제 밀도는 온도와 압력에 따라 달라진다.

특히 기체의 밀도는 온도와 압력에 크게 영향을 받는다. 이후 이상기체 상태방정식에서 압력이 증가하면 밀도가 증가하고, 절대온도가 증가하면 밀도가 감소하는 관계를 확인할 수 있다.

비중

비중은 어떤 물질의 밀도를 기준물질의 밀도와 비교한 비율이다. 액체의 경우 물을 기준으로 하는 것이 일반적이며, 제공된 교재에서는 4℃의 순수한 물을 기준으로 설명하고 있다.

SG = ρ / ρ_w

분자와 분모의 단위가 같으므로 비중은 단위가 없는 무차원량이다.

비중이 0.8인 액체를 생각해 보자. 물의 밀도를 약 1,000 kg/m³로 사용하면 액체의 밀도는 다음과 같다.

ρ = 0.8 × 1,000 = 800 kg/m³

정확한 계산에서는 비중을 정의한 기준온도와 측정온도를 함께 확인해야 한다.

비중량

비중량은 단위체적당 중량이다. 여기에서 중량은 질량이 아니라 중력에 의한 힘이다.

γ = W / V

중량 W = mg이고 밀도 ρ = m/V이므로 다음 관계를 얻을 수 있다.

γ = ρg

SI 단위는 N/m³이다.

예를 들어 물의 밀도를 1,000 kg/m³, 중력가속도를 9.81 m/s²로 사용하면 비중량은 약 9.81 kN/m³이다.

비중량은 유체정역학에서 압력과 수두를 연결하는 데 유용하다.

P = ρgh = γh

비체적

비체적은 단위질량의 물질이 차지하는 체적이다.

v = V / m

SI 단위는 m³/kg이다.

밀도와 비체적은 서로 역수관계이므로 다음 관계가 성립한다.

v = 1 / ρ

ρ = 1 / v

예를 들어 밀도가 800 kg/m³인 액체의 비체적은 다음과 같다.

v = 1 / 800 = 0.00125 m³/kg

네 물리량의 관계

물리량	정의	관계식	SI 단위
밀도 ρ	단위체적당 질량	ρ = m/V	kg/m3
비중 SG	기준물질에 대한 밀도비	SG = ρ/ρw	무차원
비중량 γ	단위체적당 중량	γ = ρg	N/m3
비체적 v	단위질량당 체적	v = 1/ρ	m3/kg

비체적과 상태방정식의 연결

비체적은 앞으로 배우게 될 상태방정식에서 매우 중요한 물리량이다. 이상기체의 상태방정식은 질량을 포함하여 다음과 같이 표현할 수 있다.

PV = mRT

양변을 질량 m으로 나누면 V/m은 비체적 v가 되므로 다음 식을 얻는다.

Pv = RT

즉 압력 P, 절대온도 T, 비체적 v는 기체의 상태를 서로 연결한다.

이 관계가 다음 학습주제인 상태량과 상태방정식으로 이어지는 핵심 연결고리다.

공조냉동 설비에서는 어떻게 사용되는가

냉동사이클

증기압축 냉동사이클에서 냉매의 각 상태는 압력과 온도, 엔탈피, 비체적 등으로 표현된다. 증발기에서는 냉매가 열을 흡수하고 압축기에서는 외부에서 일이 공급되며 응축기에서는 열을 방출한다.

따라서 온도·압력·열·일은 냉동사이클의 가장 기본적인 네 개념이라고 할 수 있다.

공기조화

공기조화에서는 체적유량과 질량유량을 서로 변환할 때 밀도 또는 비체적을 사용한다.

ṁ = ρ V̇

또는 비체적을 이용하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

ṁ = V̇ / v

따라서 같은 풍량이라도 공기의 온도와 압력이 달라져 밀도가 변하면 실제 질량유량도 달라질 수 있다.

배관과 펌프

액체배관과 펌프에서는 압력과 수두를 서로 변환할 때 밀도와 비중량이 사용된다.

P = ρgh

따라서 동일한 높이의 액주라도 유체의 밀도가 다르면 발생하는 압력도 달라진다.

자주 혼동하는 내용

온도와 열량은 다르다

온도는 물질의 열적 상태를 나타내며 열량은 에너지의 이동량이다. 고온이라고 반드시 전체 에너지량이 큰 것은 아니다.

열과 내부에너지는 다르다

열은 시스템 경계를 통과하면서 전달되는 에너지이고 내부에너지는 시스템이 가지는 상태량이다.

밀도와 비중량은 다르다

밀도는 단위체적당 질량으로 kg/m³을 사용하고, 비중량은 단위체적당 중량으로 N/m³을 사용한다.

비중과 비중량은 전혀 다른 물리량이다

비중은 밀도의 비이므로 단위가 없지만 비중량은 단위체적당 힘이므로 N/m³의 단위를 가진다.

비체적은 단위질량당 체적이다

비체적은 V/m이며 밀도의 역수다. 비중량의 역수와 혼동해서는 안 된다.

게이지압력을 상태방정식에 그대로 넣지 않는다

이상기체 상태방정식과 대부분의 열역학 관계식에서는 절대압력을 사용한다. 따라서 압력계에서 읽은 게이지압력은 필요할 경우 절대압력으로 변환해야 한다.

기술사 답안에서 중요한 포인트

온도·압력·밀도·비체적과 같은 기초 물리량은 단독 정의보다 이후 열역학 문제의 계산과 설명 과정에서 반복적으로 사용된다. 따라서 기술사 답안에서는 정의뿐 아니라 관계식, 단위, 기준을 함께 표현하는 것이 좋다.

압력을 설명할 때는 절대압력·대기압·게이지압력·진공압력의 기준점을 그림으로 표현하면 관계를 빠르게 전달할 수 있다.

밀도·비중·비중량·비체적을 묻는 경우에는 네 물리량의 정의와 단위를 표로 정리하고 마지막에 다음 관계를 연결하면 효과적이다.

γ = ρg

v = 1/ρ

열과 일을 설명하는 문제에서는 둘 모두 에너지 전달 방식이며 상태량이 아니라는 점을 명확히 하는 것이 이후 열역학 제1법칙과의 연결에도 유리하다.

시험 직전 핵심 정리

• 온도와 압력은 시스템의 상태를 나타내며 열과 일은 시스템 경계를 통과하는 에너지 전달이다.
• 절대온도는 T(K) = t(℃) + 273.15이며 열역학 관계식에는 절대온도를 사용한다.
• 절대압력은 P_abs = P_atm + P_g이다.
• 현열은 Q = mcΔT, 잠열은 Q = mL로 표현할 수 있다.
• 밀도는 ρ = m/V, 비중량은 γ = ρg이다.
• 비중은 밀도의 비이므로 무차원이며 비중량과 다른 개념이다.
• 비체적은 v = V/m = 1/ρ이고 상태방정식 Pv = RT로 연결된다.