F u n d a m e n t a l s
o f
T H E R M O D Y N A M I C S
C H A P T E R
01
개
INTRODUCTION AND OVERVIEW
부분의 공학 시스
학
,이
의
이
■
■
열역학, 열전달 및 유체역학을 지하
고 열유체 학에 대한 기 개념을
이해한다.
학 분 문제에서 일반적으로 사용
하는 SI 단위 및 영국 단위에
해
진다.
■
직관적이고 체계적으로 학문제를
해결하는 방법을 개 한다.
■
학용 소프트웨어의 적절한 사용법
을 운다.
■
계산 결과의 정확도 및 유효 자 수에
대한 이해도를 높인다.
로 분류하
경
문제
의역
다 는 과학 분
다. 열유체 과학
의미에
다. 또
사용 는 수학적 모 의 풀이 방법
유효 자 수에 대해
포함하고
로, 공학적
열유체 과학
유체역학 분
열유체 과학의 개
차원의 동질성
본다. 마지
변환
일반적 로 열역학, 열전달
연구된다. 1장에 는 이
소개하고 단위 체계
하는
에너지의 전달과 수
역사적 배
공학 문제
해
소개하고 공학용 소프트 어
정 과 계산
과 의 정 도와
의 다.
1
2
Çengel의 알기 쉬운 열역학
1-1
유체 과 의
리스 단어 therme에
science)
Solar
collectors
열
다 는 과학 로 정의
인식과 에너지 변환
지 전달과 수
Shower
과학이
Hot
water
류하
Cold
water
Hot-water tank
Heat
exchanger
Pump
그림 1-1
태양열 온수시스 과
대부분의 공학
시스 의 계는 열유체 과학 포함 다.
유 된 thermal
이
종종 부
디에이터
정하고, 열전달
상
정하는
해
다. 물론 관의 재질과
문제에 압도 지
계와 해 에는 열유
1-1).
냉각수의 상태량
외부
이용하
어 자동
로부
과 내부 관의 크기와 형
터 펌프의 크기와 형태
정
정하기 위해 는 소재공학과 재료역학도 이
이
다
과학 과 구분하
이해하기 위해 이다.
고
이해하면 복
이용하
이용하
이외에도 유체역학
다. 우리가 열역학
열
다.
대부분의 열시스
계하기 위해 는 열역학
터 에너지 전달량
에너
기본 원리와 공학도가
과학의 모든 분 가 포함된다(
다
된다.
에는 에너지
열역학, 열전달, 유체역학 분 로 분
는 열유체 과학 적용 문제
체 과학
는 에너지에 대
일반적 로 열유체 과학 또는 열
다 는 물리적 과학
발전소, 자동차 엔진, 냉동기와
분
형태
, 본 교재에 는 열유체 과학에 대
연구 고
용해
열과학(thermal
대시킨다. 오
다. 전통적 로 열유체 과학
현장에
차
다.
수
정의
변환
의미하 ,
열
실제 문제
기 는 열유체 과학
다
공부하는 이유는 복
과학 분 의 기본 원리
과학 분 와 연계하
이해
수
다.
하
학
자연계에
발생하는 모든
동
유체 과학 분 와 관 이
이론
다는
제대로 이해하는
열유체 과학
적용 분
이
상상
공학 교 에
공학 분
다.
수
열유체 과학의 기
수적인 부분이 다.
오 동
또는 일상 생 에
리
다.
가
수
장
임 이
인체의 모든 부분에 공 하고, 수조(trillions)에 달하는 체내
지 변환이 발생하 , 발생된 인체의 열
는편 함
이
착용하
열전달률
각
유발하는 주
포에
가압하
다양
에너
, 외부환경에
관계가
다. 또
장과 순환기 계통의
적용 분 는 우리가
고
관점 로 관찰하면 주변에
체 과학의 경이로
액
문에
함
경
원인이다.
열유체 과학의 또 다
다. 이와
제어하
기
외부로 방 된다. 인간이
계속해
진대사의 열 방 과 밀
의복
상호작용이 , 열
에너지와 물질 사이의 어
로가
차
는
수
는 전시장이다.
에
는평
발
주
수
열유
가정용 과 가전제
계
, 전자레인지, 가
스레인지, 냉 방 장치, 냉장고, 가습기, 압력 조리기, 온수기,
기, 다리미, 배관
전체 또는 부분적 로 열유체 과학의 원리
이용하
CHAPTER 01
냉장고
선박
항공기와 우주선
Jill Braaten/McGraw-Hill Education
Doug Menuez/Getty Images
PhotoLink/Getty Images
발전소
인체
자동차
Malcolm Fife/Getty Images
Ryan McVay/Getty Images
Mark Evans/Getty Images
식
산 시 의 배관
력 터빈
F. Schussler/PhotoLink/Getty Images
가공기
Glow Images
Vithun Khamsong/EyeEm/Getty Images
그림 1-2
열유체 과학의 적용 분
수 시스 ,
다.
규모
로, 자동차 엔진, 로 , 제트엔진, 화력발전소, 원자력발전소, 태양열
열기, 물 또
는 원유
퓨터, TV, DVD
도시가스 운
지 거의 모든 장치의
우리가 거주하는 주
레이어 등
로
시스 , 도시의 수도 배관
계와 해 에 열유체 과학
울 의
위와
수
등 자동차로부터 비행기
중
의
다(
역
위
소화
수
1-2).
도
에
3
4
Çengel의 알기 쉬운 열역학
너지 관리
효율적 로
주 이다.
계
학, 열전달, 유체역학의 전산 해
1-2
PE = 10 units
KE = 0
Potential
energy
크기, 위치
열역학
에너지 과학이 고 정의
지
에너지
로
수
정 하
수
다. 우리는 에너지가
인지는
어 다. 에너지는 변화
일
정의하는
, 열에너지
동력 로 변화시 기 위
열역학
동력 발생, 냉동
창기의 노력
물질의 상태량
중의 하 이다. 에너지 보존법칙
형태의 에너지로 변
의미 다.
에너지는 생성 거
물질의 상호작용
수는
위는 위치 에너지가 운동 에너지로 변환 어
에너지는 생성 거 소
수 다. 단지
형태 변화 수 다(열역학 제1법칙).
Energy storage
(1 unit)
1-3). 또
에너지 보존법칙
하는 에너지보다 음식물
통해 체내로
는 에너지가
적
사
에너지 변화는
(5 units)
− Eout = ΔE로 표현된다.
어지는
하 속도는 증가 다(
간이 된다. 운동
통하
소비
어오는 에너지가
체중이
소 다(
사
1-4). 인체 또는 어
어온 에너지와 방 된 에너지의 차이와
열역학 제1법칙(first law of thermodynamics)
인체에 대
일정하다는
체중이 증가하고(지방의 형태로 에너지 저장), 소비하는 에너지보다 체내로
Energy in
Energy out
현이 , 에너지는 열역학적 상태량이 는
(4 units)
of thermodynamics)
, 실제 과정
그림 1-4
형태의 에너지로
어절 에
위의
다이어트 산 의
섭
통하
다.
수
사이의 관
가장 기본적인 자연법칙
에너지의 총량
소
가장
의미로 이해된다.
포함
법칙(conservation of energy principle)
그림 1-3
는 능력
리스어 therme(열)과 dynamis(동력) 로부
포함하는 모든 형태의 에너지와 에너지 변환
부터 다
고
다.
용어이다. 오
표현
계
정 다.
전력
역
터유
PE = 7 units
KE = 3 units
기는 열역
수행
열역학(thermodynamics)의 어원
Kinetic
energy
퓨터 본체에 장착 는
는
에너지 보존법칙
차가운
거운
피
저절로
의 고온 에너지는
Ein
에너지 보존법칙의 단순
표
다. 열역학 제2법칙(second law
질(quality)
소하는 방향 로 진행 다.
국 차가 지지 , 반대로
피
거 지지
유용
형태인
시스 의
고 에너지 평형식
에너지는 양(quantity)
에너지의 질이
어오
가지고
어
상 위에
상 위에
는
는다. 에너지가 주위 공기로 전달 면
피
온도의 에너지로 변환 어 에너지의 질
이 저하된다.
우주 창조 이
열역학 원리가 존재해 지 , 1697
Thomas Savery와 1712
Thomas Newcomen에 의해 대기 증기기관(atmospheric steam engine)이 영국에
음 성공적 로
내 다. 이 기관
어지고
매우
열역학
비로소 과학 로
리고 비효율적이 지
모습
로운 과학 발전에 대
열 다.
열역학 제1법칙과 제2법칙
1850 대에 William Rankine, Rudolph Clausius,
CHAPTER 01
Lord Kelvin(원 는 William Thomson)의 연구
(thermodynamics)이
용어는 1849
의 열역학 교과 는 1859
다. 열역학
과로 동시에
Lord Kelvin의 저 에
,
음 사용
Glasgow 대학의 교수인 William Rankine에 의해
다.
저
물질이 분자(molecules) 고 불리는
진 사실이 , 물질의 상태량
내에
는 기체의 압력
이지
로 하지
기체
부착하
자의 거동
분
동에
거
자
에
다. 고전 열역학
공학문제 해
이 는 개 적인 분자 의 평균 거
계 열역학(statistical ther-
열역학 연구
다. 이
다. 기체
는
다. 개개의 분자 거동에 대
수
제공 다.
법
modynamics)이 고
과이다.
법(macroscopic approach)의 열역학 연구
는 거시적
운 방법
면 용기
면 사이의 운동량 전달의
열역학(classical thermodynamics)이 고
에 직 적이고
다는
우된다.
자 의 거동에
정하기 위하
용기에 압력
정보
이
분자 과 용기
용기 내의 압력
압력
자 로 구성 어
법(microscopic approach)
미시적
본 교재
다 어지고 보조 역 로 사용된다.
조금
1-3
방에
차가운 음료
는 사실
우리는 경험 로
매질로 발생하 ,
매질이
음료는 차가 진다
다. 이는 에너지가
고
문이다. 에너지 전달
질로 전달 기
항상
의 형태이다. 이
온도가
리는 열역학적 해
이용하
다.
기
공부
어
또다
가
, 열역학적 해
보존법칙
적용하
이다.
금해
이다. 우
는 계에 대
열전달량
는지
과정이 진행 고
시 과 관계 이 계(sys-
평형상태로 진행 는 과정에 대
문이다. 열역학에 는 과정이 얼마
하지
는 ,열
계(system)로 전달되는 에너지
이유는 열역학에 는 과정의 진
tem)가 하 의 평형상태에
에관
온도의
정지된다.
에너지 전달
정하는 과학이 열
에너지 전달률
열전달이 는 과학에 대해 자
수
차가운 매
온도의 매질에
온도 차이로 인하여 하나의 계(system)에서 다
정
매질에
형태로 존재 다. 열전달에 는 주로 열에 관
에너지는 다양
전달
해지고 냉장고에
진행
열전달량
는지
단지 계의 상태 변화에 전달된 열전달량
정하는
표시
에너지
이다.
실제로 우리는 열전달량보다 열전달률(단위시간당 열전달량)에 대하
는다.
관
, 보온
면 보온
로부터 전달된 열의 양
보온 의 사용자와
각 는지
에
계자는 보온
시 에 주로 관
는
피가 90°C에
거운
열역학적 해
내부에
가지 , 열전달량
는
로 계산
거운
80°C로 냉각
수
다.
피가 80°C 지 냉
해 하는 열역학
이 질문에
5
6
Çengel의 알기 쉬운 열역학
다. 계로부터
수
시간
계 내부로의 열전달률
평형상태
, 열전달
열역학 법칙
시스
열전달 과학에 대
열
다
해 하는 비평형
다 지
상(nonequilibrium
기
수
다. 하지
이 다. 열역학 제1법칙에
기본
계 내부의 에너지 증가율과
온도가
1-5).
평형상태로의 변화
문에 열전달 연구는 열역학의 원리에
내부로의 열전달률
2법칙
하 의 평형상태에
열적 평형상태가
phenomena)이기
가열 또는 냉각
정이 열전달의 주제이다(
온도의 변화량의
열역학
해 하
의미하 , 열역학 제
다는
의미 다(
소하는 방향 로 전달된다는
계
1-6). 이
원리는 경사진 도로에 주차된 자동차와 유사하다. 자동차의 브레이크
그림 1-5
보온 에 는 고온의 피가 정 온도로
식는
얼마
리는지 관 이 지 , 열
역학 해
로 정 수 다.
고도가
르고, 유체는 압력이
로
로 주행 다. 또
지는 방향인 내리
열전달
소하는 방향 로
기본적 로 온도 차이로 인하
질 사이에 는 열전달이 존재
Cool
environment
20°C
Hot
coffee
70°C
이다. 이는 전압 차이가 전류가
의 구동력인
(단위
달률
Heat
소하는 방향
르는 원리와 유사하다.
발생 다. 동일
온도
는
매
, 온도 차이는 열전달이 일어 는 구동력
수
르는 구동력인
원리이다. 어
과
전류는 전압이
면
고, 압력 차이가 유체
과
방향 로의 열전달률
방향의 온도 구
이당 온도 차이 또는 온도 변화율)에 의존하 , 온도 구배가 클수
열전
진다.
1-4 유체역
역학(mechanics)
그림 1-6
열
온도가
소하는 방향 로
다.
의 영향
정지된 물체와
는 가장 오 된 물리 과학이다. 역학
(statics)과
이 작용하
정지해
직이는 물체
직이는 물체
는 물체
다 는 역학인 정역학
정지 상태의 유체 거동(유체 정역
학, fluid statics), 운동 중의 유체 거동(유체 동역학, fluid dynamics)
유체와의 상호작용
속도가 0인 운동의
유체역학
비압축성 로 고
물)와
는 유체의 운동에 대
우
수력학의 하위
밀도 변화
주이다. 노즐
는 유체 유동
유체역학 운동 또는 정지 상태의 액체와
기체의 거동 다 다.
franckreporter/E+/Getty Images
에
통
물리학에
물질
온도에 는
주
력학(hydro다 는 유압
고속의 기체 유동과
르는 기체(
역학(aerodynamics) 로 분류 다. 기상학(meteorology),
학(hydrology)과
액체 유동
이
이매
기체역학(gas dynamics) 로 분류하 , 고속
또는 저속 로 항공기, 로 , 자동차 주의
그림 1-7
속도의 기체와
연구는 일반적 로
dynamics) 로 분류하 , 파이프 내부와 개방된
학(hydraulics)
고
1-7).
주로 분류 다. 액체(
수
경계에
다 는 과학 로 분류하 , 정지 상태의 유체는
경우로 간주 다(
가지
다
다 는 동역학(dynamics)로 분류 다.
유체역학(fluid mechanics or fluid dynamics)
체 또는 다
모
공기)의 유동
학(oceanography),
자연적 로 발생하는 유동
고체, 액체, 기체의
공기
다 다.
가지 상(phase) 로 존재하 , 매우
마로 존재 다. 액체 또는 기체 상태의 물질
유체(fluid)
7
CHAPTER 01
다. 고체와 유체의 구
고
물질의 형태
다. 고체는 변형
항력에 기
통해 물체에 적용된 전단 응력에 저항
반면, 유체는 크기에 관계없이 전단
해지면 고체는 일정
일정
력의 영 을
변형에 비 하지 , 유체에
응력
변형 각에
사이에 단단
정된 상태에
응력
지
고정된 직사각형 고
상부 평 이
사이에 미
위
F로 당 지면 고
향 로 상 에 작용하는
이
성
위
다. 이와
과하지
평 과 동일
정역학에
강
이가
stress),
단
선 성분
이 ,
이 제거 거
Deformed
rubber
Shear
strain, α
그림 1-8
전단 응력의 영향 로
평 사이에
진 고 블 의 변형.
에
고 에
대 전단 응력과 동일 크기의 반대 방향
전단 응력이 상부 평 에 작용 다.
Normal
to surface
발생하는
평
가해진
Force acting
dF on area dA
dFn
이
고체에 도 관찰
진 경우)
이에 물이
dA
dFt
Tangent
to surface
의 크기에 관계 이 상부
사
하부 평 에 는 0에 도달 다.
소하
력(stress)
로 정의 는
작용 면적 로
력(normal
의 수직 성분
력(shear stress)이
압력(pressure)이
에 는 수직 응력
현상
다
(layer)
정하 , 단위 면적당 표면에 작용하는
어
경계면에
Force, F
수평방
연속적 로 이동하 , 유체 속도는 유체
어질수
단위 면적당
-고
블 과
하는 유체
Shear stress
τ = F/A
F와 동일 크기의 반대
가 ,이
어 평행
속도로 평 과 함
이의 마찰로 인해
이 변형된
상부 평 의 이동 변
하 ,
위치로
실험이 유체(
α
τ는 전단 응력, A는 상 과 고 의
기
는
경우, 상부 평 과
로 반복
거
증가 다. 고 와
F에 비 하
마찰로 인해
이 제거 면 고 는 원
물질의
수
다. 이
F = τA로 표현된다.
면적이다.
1-8과
블
정지된 상태로 유지된다. 평형상태에
의 크기는 0이어
에 작용해
이 반대
지
고 하자. 하부 평 이 고
다고 가정하면, 고 의 상부 표면
이
이동 는 반면 하부 표면
방향의
는
Contact area,
A
다. 전단 응력이 가
유체는 변형
블
다. 변형 각 α(전단 변형 또는 각 변위)는 작용된
평
수
적으로 변형된다. 고체에
아
변형률에 비
변형이
저
다.
변형률에
평
변화시 는 전단 응력에 대
다(
1-9). 정지 상태의 유체
다. 정지된 유체는 전단 응력
액체 용기가 기울어지면 액체가 이동하면
0인 상태
그림 1-9
유체 표면의 수직 응력과 전단 응력. 정지
상태의 유체에 는 전단 응력이 0이 , 수
직 응력 압력이다.
전단력이 발생
하고 수평 자유 표면이 다시 형성된다.
액체에
력
분자
유지된다.
문에 부피는 일정하
하고, 중력장에
의
로 상대적 로
과 마주
간
고
자유 표면
대부분의 경우 고체와 유체는
하기
트는
자유 표면
공간 전체
는 경우도
다.
문에 고체의 거동
형성
수
구
어, 아
응
는 용기의 모양
Free surface
형성 다. 반면, 기체는 용기
차지 다. 이는 기체 분자 이
고, 분자 사이의 응 력이 매우 작기
는 액체와는 다르
하지
과적 로, 액체는
용기 표면보다
지 팽창하
지 , 분자 사이의 강
직일 수
다(
문이다. 열
경계에 존재하
트는
변형 어 유체로 거동 다. 일부
Liquid
Gas
1-10).
지 ,
보이지 , 이
용기 내의 기체
시간 동
이오
시간 동
스 ,
구 이
전단 응력에 저항
작용하면
스
리 혼합물도
그림 1-10
기체는 액체와는 다르 자유 표면
하지
공간 전체로 팽창 다.
형성
8
Çengel의 알기 쉬운 열역학
스 트와 유사
다. 이
거동
, 본 교재에 는
지
하
1-5
원
물리량
원(dimensions) 로
(units) 고
차원 로
정
수
, 차원에 부 된 크기
수
이 L, 시간 t, 온도 T와
이기 가
단위계가 수
과학
2
원(sec-
차원
다.
다. 전
개발 어
계
하 의 단위계로
공학 단체의 노력에도 불구하고 오
다. 이
단위계가
미국 단위계(the United States Customary System, USCS)
진 SI (Le Système International d’Unitès) 단위계이다. SI 단위계는
리적인 단위계이 , 영국
간단하고
현장에
포함
다. 하지
사용하고
, 이 단위계에
지
진법에
대부분의 산 화된
영국 단위계는 수치적인
사용 는 단위
중에
미터법 단위계로 완전
거
가지고
어(12 in =
로 임의적 로 관
보편적 로 사용 가능
단위계
가 프 스 과학 학 원에 제 하도
전
로 프 스에
vention Treaty)이 미국
개발하기 위
체계적인 노력
1790 부터 다. 미터 단위계의
위
다. 이 국제
위계
제정하 다.
어(A), 온도는
기본량과 단위
표시하는
(mol)
기본 단위
노력해
이정표로
로
(°K),
제정하
의(General Conference of
로
의양
, 1971 에는 7
(kg), 시간
내는 조도는
로
거
SI 단
(s), 전류는
(cd)로 6개의
의 기본량과 단위로 물질의 양
가하 다.
정 하고 보편적 로 정의하기 위해 과학계는 수
,
을 각각 길
정에 는 미터와
된 6개의 기본량과 단위에
의에
이는 미터(m), 질량
el in
이전 지
6 마다 개 하기로 하 다. 1960 에 CGPM
Weight and Measures, CGPM)
제10차 국제 도량형
기
정 조 (The Metric Con-
이와 질량의 미터법 단위로 제정하였고, 국제 도량형
1954
프 스국
17개국에 의해 준비 고 조인된 1875
지지
산
이다.
유일
, 미터 단위계
개발
포함
는 보편적 로
전환하지
거
의 과학
1 ft, 1 mile = 5,280 ft, 4 qt = 1 gal 등) 혼 스 고 배우기가 어 다. 미국
화된
전
단위계(English system)와 국제 단위계(International System)로
진
산
1
는 차원
하고, 1차
원(derived dimensions)이
에
단위
원(fundamental dimensions)이
는 속도 V, 에너지 E, 체적 와
ondary dimensions) 또는 유도
로
다 다.
유체로 인식 는 유체
원(primary dimensions) 또는 기
사용 고
본 교재에 는 다
의
다. 질량 m,
통일하기 위
경계 영역의 거동
, 몰,
어, 켈빈에 대
의
간
임 이
로운 정의는 역사적인
진다.
(kg) 단위는 4°C에
공식적 로 정의
로
1리터의 순수
물의 질량
1889 부터 파리에 보관된 실
다. 이전에
모양의 반 이
9
CHAPTER 01
는 금속 질량이 다. 국제적 로 통용된 이
로
이리 의 합금 로, Le Grand K로도
2018
11
26일 프 스
, 표준
또
이
(kg)
의에
(= 1.380649 ×
상수
표준 미터 단위는
,이
정
이 정의된다.
몰, 켈빈,
하
,
어는 기본 전하
어도
, 켈빈
다.
정 하
, 18 기
정
어 다. 다
대가
극과 적도 사이의 거리
계산
다. 1983 , 미터는 진공 상태에
로
의 속도)와
극과 적도 사이의 거리의 1/10,000,000로 정의
음에는
마스터 미터(master metre)
로
사용하면,
사용하는 방법
J/K)과 관 이
다. 당시 이 거리는 가능
크 상수 h의 정의
구조 전이 주파수)로 자체적인 정의
미
보가 로 상수
10−23
, 물리학 방
공식적 로 다음과
일반 상수
정의하 다. 몰
가지고
개의 기본 상수인 c(진공에
-133 원자의
로
다.
어
(s)와 미터(m)의 단위는
,
개 된 제26차 도량형 총 에 60개국
크 상수 단위는 kg
크 상수는 1 kg과 관
ΔνCs(기저 상태인
대
다.
르사유에
하 다.
하는 질량 단위
기
금과 10%의
크 상수(h = 6.62607015 × 10−34 m2 · kg/s)의 분해능 로 정의
대표 이 모
정식에
90%의
원형
반에 이
모든 미터
이에
이
과원
대
정 이 부정
1/299,792,458
동
의
이동 거리로 정의 다.
1967
로
, 모든 단위의 이
제하
용하지
고유
고 표기하 다(표 1-1).
기로 하 다.
로
절대온도 단위(°K)에
도 된 표기법에
이 에
수
에
는 경우
터(meter)의
면
제외하고는
로
(Metric Conversion Act)
행하 다. 1988
유 된 단위의
자로는 N이다. 또
다.
자에 마침표
자는 대문자
로
된
단위의
이는 5 m 또
면 물체의
사용하지
사
로
자가 문장
는다.
어미
자는 m (m.가 아 )이다.
사용
국 에
직임
1968
의 가
계의 다
지역에
미터 단위계 연구 조 (Metric Study Act)
는 일에 대응하
시작된
수
공식적
도 대문자
5 ms 또는 5 meter일 수는 없다. 마지
미국의 미터 단위계
어 고
)이 ,
자는 복수로
는 5 meters일 수
의
유 하
어 Isaac Newton 경(1647 1723)의 이
의 SI 단위는 newton (Newton이
복수로
에
도 기호(°)
수
일
통과시
다. 미국 의 는 1975 에 미터 단위계 전환 조
통과시
통과된
미터 단위계로의 전환 노력
역법
자발적 로 수
모든 연방 기관이 미터 단위계로 전
표 1-1
SI 단위계의 일
원)과 단위
개 기
차원(유도 차
10
Çengel의 알기 쉬운 열역학
표 1-2
1992
환하는 시
SI 단위계에서 사용하는 표
두어
계
9 로 정하 다.
인하
역에
다. 오
터법의 적용
고
치 단위의 소
치
분의 산
다.
현재 미국
위계로 배우고, 생각하고, 일하면
에
와
표시하
단위
1 kg
(103 g)
1 MΩ
(10 6 Ω)
그림 1-11
SI 단위의 표준
사용 다.
SI
내는
어로
위하
어 다.
공학도 이 SI 단
환경
이해해
하기
문에 오
의
는 공학도의 엔지 어의 상
,
사용
이, SI 단위계는
대부
진법에
SI 단위
거하
어는 표 1-2와
사용
로
단위
다. 이
강조 다.
사이의 관계
어는 모든 단
다(
1-11).
(kg), 미터(m),
(s)이 ,
기 해
영
SI 단위계에
질량,
이, 시간의 단위는 각각
로
영국 단위계는 각각 파운 -질량(lbm), 피트(ft),
로마의 중량 단위
어는 모든 공학분 에
단위계가 모
의
위에 사용 는 표준
200 mL
(0.2 L)
영국 단위계
트에 인
상태는 미터 단위계로의
이다. 이
가적인 부 이 된다. 전환기에
본 교재에 는
미터
이다.
미터 단위계로의 전환 과정이
지는 지속
등)
어진
사실
사용하는 사 이 , 이
이중 단위계
공학도에 는
량음료, 주류 산
미터 단위로
이
변화에 저항하
경제적인 이유로
생산 는 거의 모든 자동차는 미
자동차 소유자
전환이 이 어질
고 하
미국에
보고
이
미 에 대
축 등과
(자동차,
이 관 하는 산
단위계로의 전환
완전
계, 소형화, 재고량
계에 통용 는 단일
국제
시
다.
이 이 에 완화
전
마
도 이 기호
libra의
사용하 다. 이
자이다. 영국
(s)이다. 파운
410
단위계의 질량과
로마 점
어진다. 이 점이
공식에
이다. 이
피하기 위해
불편
변환 계수(gc)
시대가
이는 다음과
항상 1차 차원 중의 하 로 간주
영국 단위계에
기호 lb는 고대
사용해
관계가
에
다.
, 비유도 단위로 주
하는 혼 과 오류의 원인
Newton의 제2법칙 로부터 유도 는 2차
차원 로 생각 다.
m = 1 kg
m = 32.174 lbm
그림 1-12
단위의 정의
a = 1 m/s2
a = 1 ft/s2
또는
F=1N
F = 1 lbf
(1–1)
SI 단위계에
시 는
(N)이고, 1 k 의 질량을 1
로 정의 다. 영국 단위계에
필요한
고, 질량 32.1
정의 다(
의 단위는
lb
1-12).
1 slu 을 1 t
s2의
s2의 가 도로 가
의 단위는 파운 - (lbf)이
가 도로 가 시 는
필요한
로
11
CHAPTER 01
1 kgf
1 N의
대
사과 1개(m = 102 g)의 중량과
작
1-13에
이다.
중량과
이 대 적 로 중간 크기 사과 4개(mtotal = 454 g)의
와
유
- (kgf)이 , 이
국가에
일반적 로 사용하는
의 단위는
로
N).
종 질량
체중 조절 중인 사 (weight watchers)
용어는
용어이 , 질량과는 달리 중량 W는
표현하는 부정
물체에 작용된 중력이 ,
1 apple
m ≈ 102 g
4 apples
m ≈1 lbm
질량 1 kg의 중량에 해당 다(1 kgf = 9.807
해수면에
량(weight)이
10 apples
m ≈ 1 kg
인 반면, 1 lbf의
크기는 Newton의 제2법칙에 의해
종
1N
1 lbf
이다. 중량
정된다.
(1–2)
기
물체의 질량이고, g는 국소 중력 가속도이다(g는 위도 45°인 해수면에
m
9.807 m/s2 또는 32.174 ft/s2).
에
는 저울
보통 인체에 작용하는 중
정 다.
력
물체의 질량
우주 어디에
변 다. 중력 가속도 g는 고도가
가속도
에
대기에
물체의 중량
상적 로
정
해수면에
하지 , 중량
위치에 관계 이
소 다. 달 표면에
중량의
1/6이다(
상호 교환하
수
의 단위인
- (kgf),
(N), 로
파운 - (lbf)의 상대적인 크기
소하 로 산
우주 비행사의 중량
지구에
정
1-14).
질량 1 kg의 중량
질량 1 lbm의 중량
에
중력
그림 1-13
1-15에
이 9.807 N이다.
와
1 lbf인 , 파운 -질량과 파운 -
다고 사
파운 (lb)로
다. 이 점이 영국 단위계에
생각하
발생하는 오류의 주된 원인이다.
질량에 작용하는 중력
에 비 하고 물체
도, 지구 중
물체
사이의 거리의 제 에 반비
는 7.322
m/s2
m/s2(
중력 가속도 g는 위
달 진다. 중력 가속도
적도에 는 9.789
지 변 다. 하지
의 변화는 해수면의 9.807 m/s2
용 다. 해수면보다
4500 m에
에
해발 30 km 지의 고도에
로 가정
지역에
대
m/s2)
의 1% 미 이다.
속도는 9.807 m/s2의 일정한
가하
다.
지의 거리, 작 는 달과 태양의 위치에
극점(pole)에 는 9.832
g
이 , 이는 질량의 크기
사이의 인력에 의
중력 가속도 g
실제 문제에
,반
수
중력 가속도 g
고, 다시
해발 1000 km에
9.81 m/s2로 사
하
해수면보다
소 다(지구 중 에
중력 가
질수
증
얼마 고
g
생각하는가?).
질량과 중량
으로
동과
정 는
다
혼동하는 주된 이유는 질량에 작용하는 중력
이 질량이기
문이다. 이
효과에 의해 작용 는
이
방법
시
수
다는
정하
적
공기 부력과 유체 운
가정 다. 이는
그림 1-14
지구에 150 lbf인
는 달에 는 25
는 달
lbf이다. (지구에 66 kgf인
에 는 11 kgf이다.)
12
Çengel의 알기 쉬운 열역학
kg
적
편이(red shift)
정하
하
비행기의 고도
정하는
과
다. 이
방법
고
는 질량과 계 하 는 질량
lbm
g = 9.807 m/s2
W = 9.807 kg·m/s2
= 9.807 N
= 1 kgf
g = 32.174 ft/s2
정하는
직
이다. 이 방법
지
에너지의
W = 32.174 lbm·ft/s2
= 1 lbf
지의 거리
금속
정하는
가지 모
과 거리의
-미터(N·m) 이고,
일의 단위는
정법이다. 질량
간
비교하는
로 간단하
정의
(joule, J)이 고
다.
수
다.
(1–3)
그림 1-15
해수면에
정
주로 사용된다.
정하고 보정하는
형태인 일(work)
고, 기압
과
단위 질량의 중량
SI 단위계에
로주울(1 kJ = 103 J)
가장 일반적 로 사용하는 에너지의 단위는
이다. 영국 단위계에
68°F의 물 1 lbm
사용하는 에너지 단위는 Btu (British thermal unit)로,
1°F
에너지로 정의 다. 미터 단위계에
이는
는 14.5°C의 물 1 g의 온도
1°C
이는
1
에너지의 양
로리(calo-
rie, cal)로 정의하 , 1 cal = 4.1868 J이다. kJ과 Btu의 크기는 거의
1.0551 kJ). 이
단위
실
방법 로 보통 성 에 불
1 Btu(또는 1 kJ)의 에너지가 생성된다(
하면
에너지의 시간 변화율에 대
단위는
의 경우에는 에너지의 시간 변화율
트(watt, W)로 불리는 J/s이 , 일(work)
동력(power) 로 부 다. 일반적 로 사용하
너지는 일반적 로 kWh 단위로 표현
, 1 kWh는 3600 kJ이다. 정
반면에 에너지 단위는 kWh이다.
생산
이다 는
력 터빈의 정
이다 가 정
력 터빈이 연간 50 kW의 전력
로운
의미하
부정
표현이다. 정
가
면,
하지
는다.
다.
가
물론 실수이지
계산 과정에
단계에
계산상의 오류가
오류
내는 유용
인하는
1-1
학교에
로운
생산
표현이다.
다.
공학에 는 모든 방정식이 차원적으로 동일해
단위
표현
50 kW로 연간 120,000 kWh의 전기 에너지
력
사과와 오 지는
동일
력 1 kW
kW와 kWh의 단위가 주로 혼동된다. 동력의 단위는 kW 또는 kJ/s이고,
다
John M. Cimbala
746 W에 해당 다. 전기 에
1시간 연속 사용하면 1 kWh의 전기 에너지가 소비된다. 전력 생산
의 전기제
성 하 가 완전 연소
발생하는 에
너지는 1 Btu(또는 1 kJ)이다.
스스로
1-16).
는 동력의 단위는 마력(horse power, hp) 로, 1마력
그림 1-16
다(1 Btu =
전기
금 로 $0.12/kWh
든
하 고
, 방정식에
단위가 다
항
수
다.
는 모든 항
하는 단계
의미 다.
다는
도구로 사용
력 터빈의
어
단위
다.
력생
지불하고
다. 전기
금
절 하기 위하
CHAPTER 01
력 30 kW의
정
치하 다(
력 터빈
력 로 1 에 2,200시간 가동된다면,
수
는 전기
절
는 전기
력 터빈 로 생산 는 전력과 학교에
위해
력 터빈
절
, 생산 는 전기 에너지의 양과 연간
치하
정 다.
금
30 kW 또는 30 kJ/s의
연간 발전 는 전기 에너지는 다음 과 다.
해석
력 터빈이 정
계산하 .
금
풀이 전기 생산
1-17). 이
력 터빈
력 로 전기 에너지
생산 다.
총 에너지 = (단위 시간당 에너지)(가동 시간)
= (30 kW)(2,200 h)
= 66,000 kWh
이 에너지로 매
절
는 전기
금
다음과
다.
절 된 비용 = (총 에너지)(에너지의 단위
금)
= (66,000 kWh)($0.12/kWh)
= $7,920
토 연간 생산 는 전기 에너지는 환산
통하
kJ로 계산
그림 1-17
수
제 1-1에
다.
다 는
력 터빈
Bear Dancer Studios
총 에너지 =
66,000 kWh에 해당 다. (1 kWh = 3600 kJ)
이
문제
이 과정에
경험에 의해
단위
거
단위
수
로는 공식
사용하지
다.
고
용
주의
1-2
제에
하는
에도 이용
단
이
어 는 오일의 질량(m)
에
풀이
크의 체적이 주어
가정 오일
된다는 사실
도 이
단위는 공식
도
인하
다.
수
공식
크에 밀도(ρ)가 850 kg/m3인 오일이
크
하
간의 주의와 기교로 우리에
다. 다음
유도하는
면
기
다.
크의 체적( )이 2 m3일
구하 .
, 오일의 밀도
비압축성 물질이 ,
이용하
질량
계산 다.
오일의 밀도는 일정하다.
1-18과 다. 밀도와 체적에 질량 관
고 다. , 계산
시 는 공식
다하
도 질량의 단위는 kg이 는
다. 주어진 정보
보면 다음과 다.
어
하든 과는 kg 단위로
해석 문제에 주어진 시스 의 개 도는
물리량
로
하면 m3가 소거 고 kg 로
는
이 분 하 로 우리가
는
Oil
ρ = 850 kg/m3
m=?
그림 1-18
제 1-2의 개 도
13
14
Çengel의 알기 쉬운 열역학
식
다.
다음과
토 이 방법
복
식에 적용하지
재하는 경우에는 단위의 고
차원적 로 동일하지
동일
는식
식이 반 시
수
모든 계산 과정에
다.
32.174 lbm.ft/s2
1 lbf
항상 단위
조합 로
식
식이지 (
는
1 kg.m/s2
1N
1 kPa
1000 N/m2
1 min
60 s
이 표현
이
수
1차 차원(primary dimension)의 적절
의 단위는 다음
다.
사용하
편리하
다.
수
단위 변환비는 1의
모든 단위 변환비(역수도 동일)의
정
1이 , 자주 사용하는 가지 단위 변환
비
내 다.
lbm
단위
적절하
1-20). 단위
가지
단위는
변환시 기 위하
변환
방정식에
하
장하지
,
의 단위
기에
lbm·ft/lbf·s2
다. 이
단위 변환비
이용하
지구에
1 lbm의
풀이 1 lbm의 질량이 표준 지구 중력하에
1 lbf이다.
단위 변환비 또는 역수는
계산 과정에 편리하
gc = 32.174
1-3
그림 1-21
다.
수
가정 표준 해수면 조건 로 가정 다.
상
중력 가속도 g = 32.174 ft/s2이다.
다(
장하 , 일부 교재는
기에 주어진 단위 변환비 사용
고전적 중력 상수인 gc
단위 변환비
1 lbm의 질량
어
1 lbm
0.45359 kg
그림 1-20
지구에
1-19), 차원적 로
다.
해
단위 변 비(unity conversion ratio)
다음과
차원 상수가 존
단위(non-primary units, secondary units)는
이 모든 2
어질 수
다. 공식에
1차 단위(primary units)의 조합으로 만들어질 수 있다.
과
1 kJ
1000 N.m
0.3048 m
1 ft
검토해
수
다.
분
모든 2차 차원(non-primary dimension)
그림 1-19
1W
1 J/s
로 유도
= 1 kg·m/N·s2 = 1로 정의하고
방법
불
혼
하
다.
사용
의
가 1 lbf가
보
, 1 lbf의 단위로
(
1-21).
정 다.
15
CHAPTER 01
해석 문제에 주어진 질량과 가속도에 상당하는 중량( ) 계산하기 위하
의 제2법칙 적용 다. 물체의 중량 질량과 중력 가속도 의 이다.
Newton
Net weight:
One pound
(454 grams)
식에
호
계 이
이지 , 다
기
과다
계산된
중력 가속도
지역에 관
행성에 의 1 lbm 중력
는다
산다면 박스에는 정미 중량(net weight): 1파운
박스
)이 고인
다(
어
1-22). 기 적 로 이는 박스 내에
1.00 lbf이고, 453.6 g (0.4536 kg)의 질량
리얼 중량이 지구에
다. Newton의 제2법칙
1-6
단위 변환비이다. 질량
는
이다.
침식사용 시리얼
(454
에
이용하
지구에
는시
는다는
시리얼의 실제 중량
이
다.
다음과
그림 1-22
이기
어
과학
보
는
는중
배우는
단계는 기본 개
이다. 다음 단계는 이 지식
실제 문제
복
미터 단위계의 모호
어
해
사용하면, 복
다(
수
문제의 해
기 전에 문제와
단계
피
사용하기
수
도
해준다.
2:
(Schematic)
간단
이해
관 된 물리적인 시스 의 현실적인 개 도
다. 개 도는 정성 일
는
다. 주위와 에너지
이
열하는
정 동 에 일정하
도에 표시 다.
전체 문제
유지 는 상태량
Problem
그림 1-23
정보
적에 대
ay
yw
s
Ea
전체 문제
기 (Problem statement)
문제
진 정보
,
는
문제 로
다음과
는 일반적인 함정
자 의 표현 로 문제와 주어진 핵
Solution
이다. 이
는
문제
정
구된다. 단계적 방법(step-by-step
일 의 간단
1-23). 문제
다. 이는 문제 이 과정에
1:
방법이
과학의 중
기본 개
이 어진다. 이
로
문제의 경우 체계적인
method)
시험하
파 하고
표현
Hard way
토 위에
실하
리고,
다. 이
해준다.
에 관 된 정보
, 실제 시스 과 유사해
열
하 ,주
다. 개 도에 주어
질량의 상호작용
에 이해하는
기
도
준다. 또
인하고( : 등온 과정의 온도) 이
과
개
단계적
단순화
수
방법
다.
문제
이 과정
매우
16
Çengel의 알기 쉬운 열역학
3:
Given: Air temperature in Denver
문제
Assumption #1: Take P = 1 atm
(Inappropriate. Ignores effect of
altitude. Will cause more than
15% error.)
Assumption #2: Take P = 0.83 atm
(Appropriate. Ignores only minor
effects such as weather.)
단순화하기 위해 적절
다. 의문의
To be found: Density of air
Missing information: Atmospheric
pressure
(Assumptions and approximations)
리량
의미
m의 고도에
는
로 가정 다.
가장 간단
하
5:
인다. 하지
형태로
다.
구 사이에 질량 보존의 원리
정 다. 가능하면 상태량
사용하
는
는
단순화
사
로
7:
,
적절
관계식이
열하고 가능하면
다(이 절
가치의
수
시
주지
과
는 차원적 양
모든 자 수
는다. 해
수행
적절
표기하
유효 자 수
조).
부분의 유효 자 수
(Reasoning, verification, and discussion)
연가스
된
는
구하기 위해 계산
계산기의 화면에
인 다. 적절하지
는 계산
1
하는 영역
해 된다.
적용하
주의하고 단위가
과가 이해 가능하고 합리적인지
당 지
기
이용하
르는 물의 속도 증가는
분리하
소거하는 과정
다. 또
또 , 계산
과는 반 시
통해
관계식에 대 하고 미지
다는
계산
공학적 해
로부터 어진
합리성
인해
다.
적용하고, 가정
미지의 상태량
해 이 매우 정 하다는 거
에
1,610
(Calculations)
의미가
그림 1-25
고도가
표시 다.
다. 단위 과 단위
IMPOSSIBLE!
이터가
1-24).
어 노즐
표
달
대기압
물리적 법칙이 적용 어
문제
고
$200/yr
는물
(Properties)
6:
Energy saved
by insulation:
이
어 미국의 Denver 지역
소 다(
주어진 상태에
의
도
구체적인
과정에
다.
기 해
파 하
구와
의
$80/yr
해
수
하지
면 대기압에 대
모든 물리적 법칙과 원리( : 질량 보존의 법칙 등)
그림 1-24
해
정당화 다.
다.
수
제시하
(Physical laws)
노즐의
Energy use:
사
실
압력이 0.83 atm 로
4:
저
진 가정
다.
는 가정
소 다는 사실
문제
공학 문제 해 과정에
합리적이
당성이 어
지가
경우에 1 atm 로 가정
수
가정과
사용하는 온수기
과이다(
단열해
어 연간 80
연간 200달
절 하 다
1-25).
보고
강조하고, 가능
경계 다.
연간 40달
절
수
다고
수
음
검토 다.
의미에 대하
오해와
사용하는
이내에 단열재 비용이
가정에 대하
자이면 다시 계산 다.
과의 중 성
계
인하고 의
과
적용
본적인 가정이 적용 지
는상
어 30달
로 온수
리 단열 재
정 면, 단열재로 절 된 에너지로부터
의미 다. 하지
이
해
노동
CHAPTER 01
비용
고 하지
제 하는 문제
과는 일종의 의사소통의
1-26). 또
문에 간 함
단계
하지
지
중
과정
하지
다.
로
고해 된
제 문제
단계는 적용 지
수도
일일이
해 하는 과정에
열하는
이
리적인 사고와 단계
다. 문제
지식이 부 해 가
지식
가장
방법
르도
기
고의
는 과정
적절하
터
다.
강력
어
다
이다.
공학 분 의 기본 원리
국 우리가 실제로
수
는
다. 이
지
사용하지
로 이용
저주이다. 이는
실
된 정보
이
위력
수
제공
수
과
해
수
프로
프로
배울 수
수준이
이다.
지
사용
에
인에
사용하는 사
수
다. 실제로
퓨터가
이수
가
과
는사
고
르
다는
는 사 도 공학적 소프트
문에 고용주
통계적 로 보면 이
음에도 불구하고 엔지 어에 대
사
지
치
사용
기
해주지
이 매우 위험하다.
다고 생각하는
과
다.
수
우리에 는 축복이자
분
주는
다고 생각하는
에는 이
상상
이 공학적 소프트 어
사용하는 방법
로 하지
수
하는
에
르
다. 교
수도
수
제공 다.
계산 능력
문에 공학도 이 모든 기
이 사실이 면,
어
사용하
기
수행
자동차 수리
지
지
용
시장에
수행하는
고
금
사용하
과
과
는이
적절
이 엔지 어
해 해 주기
픽 형태의
엔지 어 이 문제
지
기본 지식에 대
지중하
고 엔지 어
수
하는지
는 거의 모든 문제는 오
원하는 수치해
제공해 주거
소프트 어
가공
지
위해 다 로운
중 일부
적 로 공부해
소프트 어
소프트 어
튼 터치
,
수
개의 정교
인상적인 표현
이용
내기
시간
는
사
절 하기 위해 계산
리 강조해도 지 치지
다. 자 에
기에
우리가
어
문제
가는
하는
학
구
다. 하지
매우 중
모순 등
어 상태량
는 대부분의 어
체계화하지
달성하는
시적 로
다.
수도
법이 얼마
발표하는 공학적 해
로 간 성, 체계
노력과
각 단계
수도
부
고의 의사전달 효과
에 도 사용된다. 일부 문제에
실용적이지
에
에
점검 수단 로 사용된다. 시간
방법
해
적
사
다.
부주의는 종종 불
기
고
다
이 과정이 간 하면 오류
주
생 하거
이
형태 는
성, 완 성, 시각적 모양 등이
항이다(
다면 적용 가능하다.
본인이 단열 작
분이 교수
17
수 가
소하지
연 의 엔지
강력
고
지
고오
그림 1-26
간 함과 조직성
는다.
고용주로부터
평가
18
Çengel의 알기 쉬운 열역학
증가 다는 사실
오
다.
수
우리가 이용
수
는 모든
도구에 불과하 , 이 도구
다.
해
는
법
우수
프로
프로
작가로
는 이
하고
효율적인 작가
Caia Images/Glow Images
이 사
단지
든다.
엔지 어의
프로
도
이다(
다는
성
과대학의 교
대체하지
이다.
이
다. 다
수
오
,
는
저
관점 로 자료
에는 이용 가능
용하
강력
르고
하
또는 계산자에 의존하다가
,오
수
수
다는 가능성
하
부각 고
다.
고
퓨터
오해 또는
과
지
오
사
다. 이
강력
교 이
이 과정에
자
이는
계산
수
실
어
공학적
유발
보다 중
수학적인 면보다는
강조하기 위해
스프레 시트의 방정식 해
단순하지
는 방정식 시스
수행하고,
매개변수 연구
, 적절하
는
구성된다면
사용된다.
프로 해 하 ,
과
방정식
수치
용 는 정교
로
프로
열역학적 상태량 함수
수
동시에
는 프로
이다. 이 프로
가지고
기능에 대해 어
일반적 로 재
Equation Solver)는 선형 또는 비선형 대수방정식이
다.
사용
된해 이
저
물리적 이해
프로
학 문제에
수
다.
기울이고자 하 다.
우리는 마이크로소프트
의해
하 , 적절
다. 과거의 엔지 어
문에 공학의 기 에 대
직관적이
기 에 대해
단도 해
지에 의존하고
다는 점과 사소
가적인
각 도 발달시
계산기 또는
다. 이 교재에 는 문제
자연 현상에 대
정도
중에
엔지 어
문에 보다 실제에 가 운 모
수행해
에는 대부분 소프트 어
도구에
노력
일
지는 의
의하는 시간
의 선배
공학적
기
과
이다.
어
직도
도구가
이 에
상
도구로 인하
하고,
정리해
작
과정의 강조 변화가 일어
물리적 관점에
전
보다
지도 전통적인 공학 교
고, 물리적 현상에 대
이해해
작가가
의학 소프트 어
물리학 로 교
고 강력
항상 기
다고 해
다. 공학 소프트 어
수학에
수
다는 사실
수행하
지
다. 엔지 어
도
가지고
이 과정이 는 기계적인 시간
사용
부
의미가
1-27). 계산기는 우리
, 강의 시간에 주어진 문제
어 고 문제
에
작가가 일
가르
대
능력과 공학적 소프트 어는 단지
프로
, 단지
이
수
그림 1-27
고의
퓨
수
공
프로
통해
에 질문
수
다. EES (Engineering
미분방정식 로 구성된 시스
로 실제 공학 문제에
수학적 기능
, 사용자가 상태량
리사
내장된
에대
자료
가
CHAPTER 01
다
지와는 달리 EES는 공학 문제
소프트 어
단지 사용자가 제공
방정식
된 물리적 법칙이
이용하
문에
관계식
적용하
수식화된 방정식
공학 문제
변수 연구(parametric study)
수행
1-4
해석
다. EES
시간과 노력
절
수
다
고,
수
기
르고 편리하
매개
다.
치
풀이
수의 합에 20
수제 의합
수의 차이와 제 의 합에 대
관계식
저 EES
어본다. EES
사용하
문제
열고 빈 화면에 다음과
이는
어
다.
과
정하 .
수
풀이
수
이해하고 관
수
수식화
정식의
수의 차이가 4이고, 이
이
문제
,
는
사용자는 문제
면 상당
계산이 적당하지
어
다.
해
수
19
미지수
는 이 연립 방정식(
고 문제
(task bar)의 calculator
1-28).
이
정 다.
블 클릭하
이다.
수식 로 표현
선형이 , 다
방정식
수
프로
력 다.
식
x와 y로
우고
이
방정식
클릭하면
개의 미지수
비선형)의 해는 태스크
와
과
수
다(
그림 1-28
/ 가 기능/해 기 가 기
능/ 인(File/Options/Add-Ins/Solver Add-In/OK) 순 로 진행 다. 기
시 기호(/)는 연속된
이다. x와 y 각각에 대해
선정
(선 항 )이 ,
력 다.
하
기 상
력 다. 이 에 는 C25와 D25 에 상 0.5
식의 우 에 변수가 어가지 도
방정식 다시 정리해
다. , x − y = 4,
2
2
선정하 수식
x + y − x − y = 20의 형태이다. 각 방정식의 우 에 해당하는
력 다. 기 는 D20과 D21 선정 다(
1-29a). 이터/해 기(Data/
실행 다.
방정식의 우 에 해당하는 (D20)
표
Solver) 순 로
위(C25:D25)
(Objective) 로 정하
4로 부
, x와 y에 해당하는
정
방정식 우 (D21)
제 조건에 종속 도 지정 다. 제 조건
이 20이 도 해
다. 해 기/ 인(Solver/OK) 순 로 클릭 다.
면 반복
계산에 의해 수정된 종 해의 이 각각 x = 5, y = 1이 된다(
1-29b).
이제
사용하
의 보다
리수 하
정밀도, 반복 계산
토 위에
이다. EES와
동일
수행
하 면
수등
과정
어본다. 파일/
문제
변경
이터/해
수
종이 위에
기/
이의 모든 수학적 과정
EES 화면 이미지
(a)
(b)
(Data/Solver/Options) 단계에
다.
이
제 1-4에 대
Microsoft Corporation
그림 1-29
진행
리 다. 또
문제
방정식
공식화
선형 또는
제 1-4에 대
화면 이미지. (a) 방
정식과 기 가정 , (b)
이 도구
사용하 수
로
종 과
20
Çengel의 알기 쉬운 열역학
, 미지수
비선형일 수
EES와
이 사용하기가 편리
된 수학적 복 성
Given: Volume:
= 3.75 L
공학 계산에
Density: ρ = 0.845 kg/L
(3 significant digits)
Also, 3.75 × 0.845 = 3.16875
Rounding to 3 significant digits:
m = 3.17 kg
편에
과
보고하는
지
시
오르는 생각
(
다는 의미이다.
적절하 , 이
기
과
정 오차
이
유지하
로 관의
중어
어어
마지
사용하
또
본 교재에 는 가
오차
kg/m3
는 순수
사용하는 , 이
물질이
경우에는
과
종
불순물
0°C에
어
종
과
자
이다. 또
모든
과에 반영 는
면,
피하기 위하
다.
순수
하는
된다.
가지
는어
경우가
다
문이다.
정 오차가
어 물의 밀도는 보통
물의 밀도
문에 이
유발 다. 이와
면 부가적인 오차
의 불 실성이
이다. 75°C에
사용하면 2.5 의 오차가
합리적인 유효 자 수 지 반
다. 공학적 해 에
이다.
문에
반
물질의 밀도에 2 의 불 실성이
물의 밀도가 975 kg/m3이기
생 다. 물속에
정상적인
기
수
개의 유효 자 수 지
이가 40 m 면,
정
고도 사용
단계에
하는 방식이기
계산된 질량도 2 의 불 실성
이 밀도
로는 적당
수
정 하
도
40.0 m로 가정
주어진 수
포함
다.
하
대 에 3.17
오는
3.746, 3.750, 3.753 등의
지
퓨터가 보통 계산
리의 유효 자리 지 내기 위해
1000
계산기에
문에 체적
이다.
로 가정
다.
수
, 이 교재에 는 주어진 정보가 적어도
정
실험
밀도의 유효 자 수가 단
과는 체적과 밀도와 각각 3.75000 L와
1-30). 계산 과정에 는 모든 자리
문제
3.16875 kg
하
이다. 3.75 L는 체적이 ±0.01 L 내에
수
계
개의 유효 자 수 지 정
개 이상 로 정
다. 3.16875 kg의
3.76 L일 수
이
이
하 , 질량
해
3.75 L로 반
이모
질량
유효 자 수
0.845000 kg/L인 경우에
주어진 자료보다
유효 자 수
는 과는
정 하다는
된 의미
내포하고 다.
시하 로, 이
체적과 밀도
다. 실제로는 체적이
하고
개이 로 질량
3.74 L
다.
수
진 3.75 L의 용기 내의 질량
발유로
인 , 이는 계산
자리의 유효 자 수로 반
그림 1-30
이와 관
다.
수
실제보다 정 하다는
속에
구하는
kg 로 표시해
중
다.
마
하다는 거
사용하면 연립 방정식
개 정도의 유효 자 수(보통 3자리)에 불과하다.
어 밀도가 0.845 kg/L인
의 질량
력해도 된다.
어
유효 자 수 지 정
절대로 피해
산 다고 하자.
이 도구
이 문제의 본질에
과가
유효 자 수로
고 방정식 순
방정식
정
주어진 정보는
어진
Find: Mass: m = ρ = 3.16875 kg
식
다는
는
주저하지
외가
21
CHAPTER 01
SUMMARY
이 장에 는 열유체 공학의 기본 개 이 소개 고
너지와 에너지 전달, 에너지 수 , 에너지 변환
열유체 과학이
하 , 열역학, 열전달
다. 에
의
유체역학
다 는 자연과학
상태(유체 동역학)에
유체역학 로 분류하
유체와의 상호 작용
연구된다.
열역학
다 는 학문이다. 열역학 제1법칙
주로 에너지
단
는
가지고
행된다는
전달률
정하는
다. 열역학 제2법칙 에너지는 양
, 실제 과정 에너지의 질이 저하 는
다. 시스 내부로 또는 시스
가열 또는
정하고, 온도 변화
이 열전달의 주제이다. 열전달 기본적
다. 액체 또는 기체 상태의 물질
가 존재해
질
고 체계적 로
하기 위해
지
, 계산
해
냉각 시간
단계적
로 온도차이
물리 법칙
물리량의 단위에
피하
주의해
유효 자 수 이상의 정보
고
과는 유효 자 수 이상 로 정 하지
다는
중 하다.
는
문제
고체 또는 다
단위 불일치에 의해 발생 는 실수
주어진 정보는 어
외부로의 열
경계에
다 는 과학이다.
다. 또
방향 로 진
유체 고 하 ,
는 상태(유체 정역학) 또는 운동하는
유체의 거동
공학 계산 과정에
에너지 보존법칙의 표현이 , 에너지가 열역학적 상태량이
순
유체가 정지해
방법
, 단계적
방법
문제의 기 , 개 도
적용, 관 된 상태량
다.
사용하기
리기, 적절
열하 ,
가정
계산 수
과의 합리성 검토 등 로 이 어진다.
행
REFERENCES AND SUGGESTED READINGS
1. American Society for Testing and Materials. Standards for
Metric Practice. ASTM E 380–79, January 1980.
2. Y. A. Çengel and A. J. Ghajar. Heat and Mass Transfer:
Fundamentals and Applications. 6th ed. New York:
McGraw-Hill, 2020.
3. Y. A. Çengel, M. A. Boles and M. Kano˘glu.
Thermodynamics. An Engineering Approach. 9th ed. New
York: McGraw-Hill, 2019.
4. Y. A. Çengel and John M. Cimbala. Fluid Mechanics:
Fundamentals and Applications. 4th ed. New York:
McGraw-Hill, 2018.
PROBLEMS
열역학 열
1-1C 자전거
속도
역학
는사 이
내는 이유는
수
달
지
도 내리
에
인가? 이는 에너지 보존법칙에 위배 는
는 가장 재미
기도
다. 이
는 일 중에 하 이다. 이는 가
현상이 실제로 일어
수
임인가? 도로가 오르 인지 내리 인지 어
TV로 방
는가?
면 눈속
인 수 는가?
하 .
가?
1-4C 열역학과 열전달의 차이
자가 자 의 상 위에 는 차가운 피
1-2C 어 사 실
다고
가 25°C인 주위의 공기로부터 에너지
80°C로
주장 다. 의 주장 사실인가? 이 과정 열역학 법칙 위배
하는가?
1-5C (a) 열전달, (b) 전류, (c) 유체 유동의 구동력(driving
하 .
force)
1-3C 정지해
는 자동차의 브레이크에
립 상태임에도 불구하고
가는
발
경
면 기어가 중
사
이 경험
1-6C 열전달
1-7C
비평형(nonequilibrium) 현상인가?
개의 물체 사이에 온도가
고, 압력이 다
이 존재하는가?
1-8C 응력, 수직 응력, 전단 응력
압력
정의하 .
*“C”로 표기한 문제는 개념 문제이며, 모든 문제를 풀어 볼 것을 권장한다. “E”로
표기한 문제는 영국 단위계 문제이며, SI 단위계 사용자는 이 문제를 무시해도 된
다. 아이콘( )으로 표기된 문제는 포괄적인 개념 문제이며, 적절한 소프트웨어를
사용하여 풀 수 있는 문제이다.
1-9C
(light year)
이 단위인지
하 .
, 열전달
22
Çengel의 알기 쉬운 열역학
1-10C 파운 -질량(lbm)과 파운 - (lbf)의 차이는
1-11C (a) 수평 도로와 (b) 오르
도로 주행하고
에
는 자동차에 작용하고
인가?
어
70 km/h의 일정 속
(net force)
1-23
는 정미
인가?
지의 가치는
EES
다
소프트 어
이용하
다음 방정식의
이용하
미지수가
개
미지수가
개
미지수가
개
구하 .
양의 실수
얼마인가?
1-12 중력 가속도 g = 9.6 m/s2인 장소에
체의 중량 N 단위로 얼마인가?
질량 200 kg인 물
1-24
1-13E 어 물체의 질량이 10 lbm이다. 중력 가속도 g = 32.0
ft/s2인 장소에 이 물체의 중량 lbf 단위로 얼마인가?
1-14 고속 항공기의 가속도는 종종 g’s(표준 중력가속도의 배수)
로
다. 가속도가 6 g’s인 항공기에 90 kg의 성이 경험
하는 상승력 N 단위로 계산하 .
1-15 중력 가속도 g의 (해수면에 9.807 m/s2) 대형
기가 순항하는 고도 13,000 m에 9.767 m/s2로 소 다.
13,000 m에 순항하는 비행기의 해수면 대비 중량 소율
정하 .
스
크에 액체 상태의 물
1-16 체적이 0.2 m3인 3 kg의
이
진다. 물의 밀도 1,000 kg/m3로 가정하고, 이 시스 의
총 중량
정하 .
1-17 중력 가속도가 9.79 m/s2인 장소에 200 N의
의
위
로 진다. 의 가속도는 m/s2인가?
1-18
정
1-19 온수기의 4 kW의 온수기가 가열기가 정해진 온도로 물의
다. 사용된 에너지의
온도
리기 위하 3시간 동 작동
양 kWh
kJ 단위로 구하 .
울과 양 의 질량
ft/s2인
달로 가
비교하는
는 얼마인가?
1-21 일정
크에 가
대 저울
다. (a) 스프
저
대 저울로
정
: (a) 25.5 lbf (b) 150 lbf
진다. 단위
(filling time) 연료 크의 체적
내 .
(단위 L/s) 로
학
는 스프
중력 가속도 g = 5.48
저울과 (b)
유량 로 공 하는 노즐
연료가
실에
연료의
(단위 L)와 연료 공
진 시간
유량
인 다음의 연립 방정식
어 .
EES
이용하
다
소프트 어
인 다음의 연립 방정식
어 .
EES
이용하
다
소프트 어
1-27E 제트 엔진이 비행기
하는 , 보 777기의 엔진의
내 .
N과 kgf로
실 에
어 .
1-28 물체의
위치에
전진시 기는 반력
력
변
수
공학용 소프트
력이 고
85,000 lbf이다. 이
중력 가속도 g의 변화
는 고도에
간
다. g = a − bz( 기
력
문에
a = 9.807
m/s2, b = 3.32 × 10−6 s−2) 관계식 이용하 , 80 kg인 사 의
z = 0 m인 해수면, z = 1610 m인
, z = 8848 m
인 에 레스트 정상에 각각 계산하 .
에 간다.
는다.
자가 저
식사용 스 이크
리고
300 g 리 스 이크
이
?
1-31
사기 위해 전통 시장
는 5.50달 에 12온스 스 이크(1 lbm = 16온스)
는인
국제 시장에 가
5.20달 에
1-30E 질량 1 kg인 물체의
내 .
m·ft/s2 lbf로
EES
1-22C (a) 공학 교 과 (b) 엔지 어
소프트 어
인 다음의 연립 방정식
1-29E
통해 자동차의 연료
고 하
1-26
다
로 2 kg
EES 다 소프트 어 이용하 문제 1-17
수치 계산 과 포함
이전과
어 . 단위
력하 .
1-20E 150 lbm의 우주 비행사가 자 의
1-25
EES
개의 직경이 D (m)인
는다. 어
스 이크
질의
사는
N, kN, kg·m/s2, kgf, lb력 터빈이
다. 이 터빈
통과
CHAPTER 01
하는 공기의 평균 속도는 V (m/s)이다. 관 된 물리량 단위
거로
력 터빈
개의
전 면적(swept area)
질량 유량(kg/s)이 공기의 밀도,
직경의 제 에 비 함
보
의 속도,
23
Air
V
통과하는 공기의
리고
개의
전
.
차
1-32 공기에 의해 자동차에 가해지는 항력(drag force)
원 항력 계수, 공기 밀도, 자동차 속도, 리고 자동차 전면 면적
달 진다. , FD = FD(Cdrag, Afront, ρ, V)
(frontal area)에
이다. 단위
고 하 항력 관계식 구하 .
그림 P1-32
1-33 인류 역사 통해 사용된 질량 체적 정 기구 에 관
사용하는 질량과 체적에 대 단위
. 또 , 오
개발 과정
하 .
에 이