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과학

카르노 순환

카르노 순환과학
영문명
Carnot cycle
구성
등온 두 과정과 가역 단열 두 과정
열기관 효율
η = 1 − Tc/Th
온도 기준
열 저장고의 절대온도
카르노 순환은 두 등온 과정과 두 가역 단열 과정으로 이루어진 이상적인 열역학 순환이다. 두 열 저장고 사이에서 작동하는 가역 열기관의 효율 한계를 설명하는 기준 모형이다.

네 과정으로 원래 상태에 돌아온다

열기관 방향으로는 고온에서의 등온 팽창, 단열 팽창, 저온에서의 등온 압축, 단열 압축을 거쳐 처음 상태로 돌아온다. 열을 주고받는 단계와 열 전달 없이 온도를 바꾸는 단계를 분리하는 것이 이 순환의 특징이다.

두 온도로 정해지는 효율

고온 열 저장고의 절대온도를 Th, 저온 열 저장고의 절대온도를 Tc라 하면 효율은 1 − Tc/Th다. 예를 들어 두 온도가 750 K와 300 K라면 이상적인 카르노 효율은 0.60이다. 섭씨온도끼리의 비를 넣으면 같은 계산이 되지 않는다.

실제 장치에 대한 상한

이 효율은 같은 두 열 저장고 사이에서 작동하는 열기관을 비교할 때의 상한이다. 실제 장치의 마찰이나 유한한 온도 차이를 통한 열 전달 같은 비가역성이 있으면 성능이 달라진다. 계산된 상한을 특정 엔진이 실제로 달성하는 효율이라고 읽어서는 안 된다.

효율과 출력은 다른 질문이다

카르노 효율은 투입한 열 중 순 일로 바꾼 비율이다. 단위 시간당 얼마나 많은 일을 내는지를 나타내는 출력과는 다르다. 순환이 가역적으로 이루어진다는 이상화와 실제 장치의 작동 속도를 구별해야 한다.

관련 문서

열기관 / 가역 과정 / 등온 과정 / 단열 과정 / 엔트로피 / 켈빈 / 열 / 일