열기관들의 작동 원리는 어떻게 되나요?

Question

안녕하세요. 기계공학의 학문 중에 열역학 과목에 대해서 작동 원리를 배우고 있는데, 열기관들의 작동 원리는 어떻게 되는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 조일현 전문가입니다.

증기기관이 화석연료 를 연소할 때 발생하는 열로 물을 증발시켜 발생한 증기를 통해 동력을 얻는 장치입니다.

주로 버스나 자동차 에 사용되는 휘발유 및 경우 등에 해당합니다.

작동원리는

열기관은 원통 내부의 뜨거운 액체 및 기체가(증기) 팽창하여

피스톤을 밀어내어 동력을 얻습니다.

Answer 2

안녕하세요. 안다람 전문가입니다.

열기관은 고온 열원에서 열을 흡수하고 일부를 기계적 에너지로 변환하게 됩니다.

작동 유체가 압축, 가열, 팽창, 냉각 사이클을 반복하며 작동하게 됩니다.

Answer 3

안녕하세요. 김상규 전문가입니다.

열기관에는 다양한 종류가 있으며

가장 일반적인 것은 자동차에 사용되는 내연 기관과 발전소에서 사용되는 증기 기관입니다.

이 두 엔진은 모두 열역학 원리를 사용하여 열 에너지를 기계 작업으로 변환합니다.

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열기관의 효율은 열에너지를 얼마나 효과적으로 일로 변환시키는 가를 측정한 것입니다.

이를 열효율이라 하며

일반적으로 백분율로 표시되고, 열효율은 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.

열 효율 = (작업 출력) / (열 입력) * 100%

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실제로 어떤 열기관이라 해도 입력 받는 모든 열에너지를 일로 변환할 수는 없습니다.

이것은 열이 항상 높은 온도에서 낮은 온도로 흐르고

순환 과정에서 모든 열 에너지를 일로 변환하는 것은 불가능하다는 열역학 제2법칙 때문입니다.

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열기관의 가능한 최대 효율은 Carnot 효율에 의해 결정되며

Carnot 효율은

가상의 Carnot 기관에서만 달성할 수 있는 이상적인 효율입니다.

Carnot 효율은 다음 공식으로 제공됩니다.

​

카르노 효율 = 1 - (Tc / Th)

​

여기서 Tc는 저온 저장소의 온도이고

Th는 고온 저장소의 온도이며 둘 다 켈빈 단위로 측정됩니다.

Carnot 효율은 실제 엔진이 100% 효율로 작동할 수 없기 때문에 모든 열 엔진의 열 효율에 대한 상한을 나타냅니다.

즉 이상적 효율입니다.

Answer 4

안녕하세요. 김민규 전문가입니다.

열 폭발에 의하여 기관이 작동하게 됩니다. 하지만 이 작동하게 되는 방법도 종류 별로 조금 상이할 수는 있습니다.

Answer 5

안녕하세요.

열기관은 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치로, 작동 원리는 열역학 법칙에 기반을 두고 있습니다. 일반적으로 열기관은 연료를 연소시켜 높은 온도를 만들고, 이 열에너지를 이용하여 일을 수행합니다. 주요 열기관의 작동 원리는 하기 참조 바랍니다.

1. 내연기관 (Internal Combustion Engine)

- 작동 원리: 연료(가솔린, 디젤 등)가 엔진 내부에서 폭발(연소)하여 고온, 고압의 가스를 생성하고, 이 가스가 피스톤을 밀어 기계적 에너지를 생성합니다.

- 사이클: 일반적으로 내연기관은 오토 사이클(가솔린 엔진)이나 디젤 사이클에 따라 작동합니다.

- 흡입: 연료와 공기가 실린더 내부로 들어옵니다.

- 압축: 피스톤이 연료-공기 혼합물을 압축합니다.

- 폭발(연소): 혼합물이 점화되어 폭발하고, 이때 발생한 고온의 가스가 피스톤을 밀어냅니다.

- 배기: 연소 후의 배기가스가 배출됩니다.

2. 외연기관 (External Combustion Engine) - 증기기관

- 작동 원리: 외부에서 연료를 연소시켜 물을 끓이고, 생성된 증기로 피스톤이나 터빈을 구동하여 기계적 에너지를 생성합니다.

- 사이클: 랭킨 사이클에 의해 작동됩니다.

- 가열: 물이 보일러에서 열을 받아 증기로 변환됩니다.

- 팽창: 고온 고압의 증기가 피스톤이나 터빈을 돌립니다.

- 응축: 사용된 증기는 냉각되어 다시 물로 응축됩니다.

- 펌프: 응축된 물이 다시 보일러로 공급됩니다.

3. 가스터빈 엔진

- 작동 원리: 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 이때 발생한 고온의 가스를 이용해 터빈을 회전시킵니다. 주로 항공기, 발전소에서 사용됩니다.

- 사이클: 브레이튼 사이클에 따라 작동됩니다.

- 압축: 공기가 압축기에 의해 압축됩니다.

- 연소: 압축된 공기와 연료가 연소실에서 연소되어 고온의 가스가 생성됩니다.

- 팽창: 고온의 가스가 터빈을 통과하면서 터빈을 회전시킵니다.

- 배기: 남은 가스가 배출됩니다.