열역학 레포트 - 역학적 사이클과 열역학적 사이클의 차이를 논하시오.

I. 서론

내연기관 그림을 처음 배울 때 피스톤이 내려가고 올라가는 장면과 압력-체적 선도가 한 페이지에 같이 놓여 있었다. 둘 다 한 바퀴를 설명하는 것처럼 보여서 같은 사이클을 다른 그림으로 그린 줄 알았다. 그런데 크랭크축이 몇 번 도는지 묻는 문제와 한 주기 동안 순일이 얼마인지 묻는 문제를 풀다 보면 같은 말로 처리하기 어렵다. 피스톤과 밸브가 원래 위치로 돌아오는 반복은 기구의 운동을 중심에 두고, 작동유체가 압력과 체적 같은 상태량의 출발점으로 돌아오는 반복은 에너지 변화를 중심에 둔다. 엔진에서는 두 반복이 한 장치 안에서 맞물리지만, 무엇을 상태로 잡고 무엇을 계산하느냐가 다르다.

II. 본론

1) 크랭크 각도에 묶인 기구의 반복

역학적 사이클을 엔진의 작동으로 생각하면 눈에 잡히는 기준은 부품의 위치와 운동이다. 피스톤의 상사점과 하사점, 크랭크의 회전각, 흡기밸브와 배기밸브의 열림과 닫힘, 플라이휠의 회전이 한 묶음의 반복을 만든다. 4행정 불꽃점화기관에서는 흡기, 압축, 팽창, 배기의 4행정이 이어지고 크랭크축은 한 작동 주기에 2회전한다. 같은 위치로 돌아왔다는 말도 피스톤 하나만 보면 부족하다. 피스톤은 크랭크 반 회전마다 비슷한 위치를 지나지만 밸브 상태와 실린더 안 기체의 조건은 다를 수 있기 때문이다. 그래서 기계 쪽에서 말하는 주기는 장치가 같은 작동 순서를 다시 시작할 수 있을 만큼 기구의 상태가 되돌아오는 범위로 잡는 편이 알맞다.

역학적 분석에서 관심사는 운동을 만들어 내는 힘과 모멘트, 부품의 속도와 가속도, 관성력, 회전수, 전달 토크 같은 값이다. 피스톤의 왕복운동이 커넥팅로드를 거쳐 크랭크축의 회전운동으로 바뀌는 과정에서는 같은 가스 압력을 받아도 크랭크 각도에 따라 축에 전달되는 토크가 달라진다. 상사점 부근에서는 실린더 압력이 높아도 크랭크에 유리한 회전 모멘트가 바로 생기지 않고, 각도가 변하면서 힘의 방향과 모멘트암이 달라진다. 실제 엔진이 매끈하게 도는 까닭을 알려면 압력만 볼 수 없다. 왕복질량의 관성, 크랭크 기구의 기하, 플라이휠이 저장하고 내놓는 회전 에너지까지 같이 봐야 한다.

기계적 주기를 설명할 때 에너지가 빠지는 마찰도 중요하다. 피스톤 링과 실린더 벽, 베어링, 밸브기구에는 마찰이 있고 펌프나 부속장치를 구동하는 데도 축 일이 든다. 실린더 안 기체가 피스톤에 해 준 일과 크랭크축에서 바깥으로 얻는 유효한 일은 같지 않다. 기구가 반복 운동을 한다는 사실만으로 매 주기 에너지 손실이 없다는 뜻도 아니다. 부품의 위치가 출발점으로 돌아와도 마찰열은 생기고 윤활유와 냉각수로 에너지가 빠져나간다. 이 관점에서 사이클은 주로 운동의 반복 틀이다. 공간에서 어디에 있는지, 어느 방향으로 움직이는지, 어느 순간에 어떤 구속과 힘을 받는지가 문제를 푸는 언어가 된다.