바이오 열역학

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

바이오 열역학은 아직 개념이 확립되지는 않았지만 공업 열역학에서 주로 다루는 냉장고, 보일러 등과 같은 단위 열기계는 물론 식물체, 동물체와 같은 협의의 바이오시스템이나 축산생산 시스템, 작물생산 시스템, 발효 시스템과 같은 광의의 바이오시스템에 열역학을 적용하여 실용적으로 이용하기 위한 공학으로 설명할 수 있다. 따라서 기본적 원리는 바이오 열역학이나 공업 열역학이나 모두 열역학에 기초하며 같다고 볼 수 있다.

열역학 제0법칙은 온도에 관한 법칙으로 온도 측정의 기초가 되며, 열역학 제1법칙은 에너지 간의 상호 관계를 나타내며 에너지는 보존된다는 사실을 기술한다. 에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 자연적인 특성이 있다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 이치와 같다. 에너지가 낮은 곳의 물을 높은 위치로 이동하기 위해서는 기계적인 펌프나 사람이 퍼서 날라야 하는 것과 같이 추가적인 에너지의 공급이 필요하다. 여기서는 이러한 에너지의 이동에 관한 여러 가지 현상에 대하여 살펴본다.

열역학 제2법칙에서 열은 스스로 저온영역에서 고온영역으로 이동할 수 없음을 알았다. 만일 열을 저온체에서 고온체로 이동시키기 위해서는 열기관과 반대로 외부에서 일을 공급받는 사이클이 필요하다. 저온물체에서 고온물체로 열을 강제로 이동시키는 것을 열펌프heat pump라고 하며 열펌프에는 저온체로부터 열이동(QL)에 관심이 있는 냉장 시스템과 고온체로의 열 이동(QH)이 목적인 난방 시스템이 있다. 특히 냉장 사이클에서는 작동물질의 잠열을 이용하기 때문에 사이클 동안 작동물질은 기체와 액체 상태로 번갈아 가면서 상태를 바꾸어 존재하게 된다. 바이오시스템 분야에는 농산물, 음료, 식품, 와인 등을 저장하는 냉장고와 지열을 이용하여 유리온실이나 식물공장의 냉·난방장치에 응용되고 있다.