【화공열역학】 2026 국가공무원 5급(기술) 제4문

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Q. 어떤 기체가 단열된 밸브를 통해 흘러서 조름공정(throttling process)에 의해 조름팽창한다. 위치에너지와 운동에너지의 변화가 없다면 기체의 압력은 감소하며, 조름공정에 의한 축일은 없다. 다음 물음에 답하시오. (단, T는 절대온도이다)

Q1. 엔탈피 변화 dH와 엔트로피 변화 dS 관계식을 이용하여 이 공정이 가역공정인지 비가역공정인지 판단하시오.

A1.

교축밸브(throttling valve)

① 큰 유체 압력강하를 일으키는 유동제한 기구

② 일반적으로 작은 장치이고, 유효한 열전달이 일어날 만큼 시간도 면적도 충분하지 않음

③ 일이 없고, 위치에너지 변화도 매우 작거나 없음

④ 대부분의 경우 운동에너지 증가는 엔탈피 변화보다 무시할 만큼 작음

h₁ + (1/2) ρV₁² + ρgH₁ = h₂ + (1/2) ρV₂² + ρgH₂

V₁ = V₂, H₁ = H₂

∴ h₁ = h₂ ⇔ dH = 0

dH = TdS + VdP (∵ 열역학의 일반 관계식) = 0 (∴ 등엔탈피 과정)

∴ dS = -(V/T) dP > 0 (∵ 조름공정에 의해 압력 강하가 일어나므로)

단열 과정에서 엔트로피가 증가했으므로 새로운 엔트로피가 생성됐다는 의미로 비가역 공정

Q2. 이 공정에서 줄-톰슨(Joule-Thomson) 계수 μ와 부피 팽창률(volume expansivity) β의 관계식은 다음과 같음을 증명하시오. (단, C_P는 정압 열용량이다)

A2.

주어진 식을 동치로 연결시키면 된다. 결국 열역학의 일반 관계식을 이용하게 된다.

Q3. 기체가 V = RT / P + (b - a/RT)의 상태방정식을 따를 때 조름팽창 시 기체의 온도가 변하지 않는 조건을 설명하시오. (단, R은 기체상수이며, a와 b는 양의 상수이다)

A3.

주어진 조건을 동치로 연결시키면 된다.

입력: 2026.07.20 14:12

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