바이오 열역학(농업생명과학연구원 학술총서 12)(양장본 HardCover)

바이오시스템공학을 전공하는 학부생을 위한 열역학교재



열역학은 자연을 설명하는 핵심적인 과학이며 새로운 기술을 창조하는 공학의 한 분야로서, 그 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 열에 대한 학문적 성과가 축적되고 학문 간 융합이 강조되는 오늘날 열역학 교재는 날로 두꺼워지고, 이해를 돕기 위한 자료가 풍부해졌으나 핵심을 이해하는 데 오히려 방해가 되고 있다. 바이오시스템공학은 공학에 농학과 생물학이 융합된 분야로서 21세기 들면서 농생명산업의 부가가치를 높이기 위한 교육과 연구를 요청받고 있다. 이 교재는 열역학의 적용 대상을 생물생산용 기계나 가공시스템만이 아니라 작물·가축시스템으로 확대시키기 위한 강의실에서 노력을 정리한 것이다. 바이오 열역학을 정립하기엔 생체에 대한 열역학적 연구결과가 부족하고 이를 정리하는 저자들의 능력도 크게 부족한 것이 사실이지만, 이 교재를 통하여 미래 인재인 학부생들이 새로운 영역을 개척하는 '청출어람 청어람'을 기대한다.



이 책은 농업생명과학 분야의 저명한 교수 4인이 4년여에 걸쳐 집필한 역작이다. 이 책의 특징은 바이오시스템공학을 전공하는 대학생에게 강의할 열역학 교재로서, 열역학의 대상을 통상적 범위에서 생체와 생물생산·가공을 위한 기계와 시설을 추가하는 한편, 필요한 열역학 기본개념을 간결·명료하게 설명하고, 이해에 필요한 예제와 연습문제를 적절히 배치하여 개념 이해를 정확히 하였는지 확인할 수 있다는 점이다. 그동안 열역학에 대한 책은 여러 군데에서 발간된 적이 있지만 생명공학도를 대상으로 하는 책은 없었다.

이 책은 그러한 점을 고려하여 생명공학도가 반드시 알아야 할 부분을 압축하여 바이오열역학이라는 주제로 일관되게 설명하고 있다.

1장 열역학의 기본 개념

1. 바이오 열역학 2

2. 열역학 시스템 4

3. 에너지의 형태 7

4. 열역학 시스템 상태량 8

5. 열역학적 평형 9

6. 열역학 상태 성립조건 10

7. 과정과 사이클 10

8. 압력 12



2장 온도와 열역학 제0법칙

1. 온도 등가성 17

2. 열역학 제0법칙 18

3. 열역학 온도 18



3장 일, 열과 에너지

1. 일의 정의와 단위 23

2. P-V 선도와 일 25

3. 열의 정의와 단위 30

4. 열과 일의 비교 31

5. 에너지와 내부 에너지 32

6. 엔탈피 33

7. 엔트로피 35

8. 엔탈피와 엔트로피 36



4장 열역학 작동물질

1. 이상기체 43

1) 정의?43 2) 보일 및 샤를 법칙?44

3) 이상기체의 상태방정식?45 4) 압축성 계수?49

5) 상태방정식의 수정?51

2. 순물질 52

1) 정의?52 2) 상변화: 증기상, 액체상, 고체상?52

3) 순물질의 독립 상태량?56 4) 열역학 특성표?56

3. 기체 혼합물과 반응 60

1) 혼합물의 일반 성질?60 2) 화학반응이 없는 기체 혼합물?61

3) 화학반응이 있는 기체 혼합물?69



5장 열역학 제1법칙

1. 정의 77

1) 실험에 의한 증명?77 2) 과정 중 열과 일?78

2. 에너지 보존 82

3. 질량 보존 83

4. 밀폐 시스템에 적용 85

5. 개방 시스템에 적용 87

1) 정상상태-정상유동 과정?89 2) 균일상태-균일유동 과정?91

6. 기체-증기 혼합물에 적용 94

7. 교축과정과 주울-톰슨 계수 96



6장 엔탈피

1. 정의 103

2. 비열 104

3. 이상기체의 정적비열과 정압비열 105

4. 이상기체의 내부 에너지와 엔탈피 107

5. 비압축성 물질의 내부 에너지와 엔탈피 111



7장 열역학 제2법칙

1. 열저장소 119

2. 열기관과 열펌프 120

1) 열기관?120 2) 열펌프?120

3. 열역학 제2법칙에 관한 표현 121

4. 가역과정과 비가역과정 123

1) 가역과정?123 2) 비가역과정?123

5. 카르노 사이클 124

1) a-b: 가역 등온 팽창?124 2) b-c: 가역 단열 팽창?124

3) c-d: 가역 등온 압축?124 4) d-a: 가역 단열 압축?125

6. 열효율과 열역학적 온도 126



8장 엔트로피

1. 클라우지우스의 부등식 131

1) 가역 열기관?132 2) 비가역 열기관?132

3) 가역 열펌프?133 4) 비가역 열펌프?133

2. 엔트로피의 정의 134

3. 가역과정의 엔트로피 135

4. 엔탈피와 엔트로피 136

5. 손실 일 138

6. 엔트로피 증가의 원리 140

7. 엔트로피 변화 142

1) 순물질의 엔트로피?143 2) 이상기체의 엔트로피?144

8. 엔트로피 평형 149

1) 밀폐 시스템?150 2) 개방 시스템(정상상태 정상유동, SSSF)?150

3) 개방 시스템(균일상태 균일유동, USUF)?150

9. 가역 정상류의 일 151

10. 열역학 제3법칙 156



9장?가역 일과 유용성

1. 가역 일 163

1) 밀폐 시스템?167 2) 개방 시스템?168

2. 유용성 168

3. 비가역성 171

1) 밀폐 시스템?173 2) 개방 시스템?173

4. 헬름홀츠와 기브스 에너지 173

1) 헬름홀츠 에너지?173 2) 기브스 에너지?174

5. 열역학 효율 175

1) 열역학 제1법칙에 따른 효율?175 2) 과정에서의 효율?175

3) 열역학 제2법칙에 따른 효율?177



10?바이오시스템 동력 사이클

1. 공기표준 사이클 186

2. 용어 정의 186

3. 카르노 사이클 188

4. 오토 사이클 189

5. 디젤 사이클 191

6. 스털링과 에릭슨 사이클 197

1) 스털링 사이클?197 2) 에릭슨 사이클?197

7. 이상적인 브레이턴 사이클 198

8. 이상적인 랭킨 사이클 201

9. 재열 랭킨 사이클 203

10. 실제 증기 사이클 203

11. 바이오시스템에 응용 205



11장?바이오시스템 냉장 및 난방 사이클

1. 역 카르노 사이클 213

2. 이상적인 기체 냉장 사이클 215

3. 이상적인 증기압축 냉장 사이클 216

4. 실제 증기압축 냉장 사이클 219

5. 열펌프를 이용한 난방 사이클 219

6. 바이오시스템 응용 220



12장??바이오시스템과 에너지

1. 식물 시스템 226

1) 식물체의 구성?226 2) 식물 세포와 물?227

3) 물과 신진대사?228 4) 신진대사와 에너지?229

5) 에너지 전달의 종류?236

2. 동물 시스템 238

1) 동물 몸의 구성?238 2) 탄수화물의 신진대사?239

3. 신진대사와 에너지 242

4. 기브스 에너지 244

5. 인간과 식품 에너지 247

1) 식품 에너지?247 2) 열용량?248

3) 엔탈피와 열?249 4) 밤 열량계?251

5) 인체의 열역학?251



부록?257

Table A-1 여러 물질의 몰질량, 기체상수 및 삼중점?258

Table A-2 여러 가지 이상기체의 비열?259

Table A-3 공기의 이상기체 특성표?260

Table B-1 압축액체 물의 열역학 특성?264

Table B-2 포화수증기의 열역학 특성 - 온도 기준?266

Table B-3 포화수증기의 열역학 특성 - 압력 기준?271

Table B-4 과열수증기의 열역학 특성?275

기호 설명?287

찾아보기?293

조성인 저자 조성인은

서울대학교 농과대학 농공학과, 농학사

미국 Purdue Univ. 대학원 Agricultural Engineering학과, 공학석사(M.S.)

미국 Purdue Univ. 대학원 Agricultural Engineering학과, 공학박사(Ph.D)

(현) 서울대학교 농업생명과학대학 바이오시스템·소재학부, 교수