2-5 압축공기의 압력과 부피, 온도
◆압축공기의 압력과 부피, 온도
압축공기의 압력과 부피 ,온도가 일정할 때 압축공기의 압력이 감소하면 기체의 부피는 증가하고, 압축공기의 압력이 증가하면 압축공기의 부피는 감소한다.
압력에 따른 압축공기의 부피 변화
온도가 일정할 때 외부 압력이 변하면 내부 압력이 외부 압력과 같아질 때까지 압축 공기의 부피가 감소하거나 증가한다.
보일 법칙에서의 압축공기
일정한 온도에서 압축공기의 압력과 부피는 반비례한다.
압력(P)×부피(V)=일정
| 구분 | 압력 | 부피 | 압력×부피 |
| (가) | 1 | 10.0 | 10.0 |
| (나) | 2 | 5.0 | 10.0 |
| (다) | 4 | 2.5 | 10.0 |
⇨ P처음×V처음=P나중×V나중
⇨ 온도가 일정할 때 압축공기의 부피는 압력에 반비례하므로 압력과 부피의 곱은 일정하다.
압축공기 관련된 현상
① 하늘 높이 올라간 풍선이 점점 커지다가 결국 터진다.
④ 샴푸통의 꼭지 부분을 누르면 내용물이 밖으로 흘러 나온다.
기체의 온도와 부피
기체의 온도와 부피 압력이 일정할 때 기체의 온도를 낮추면 부피가 감소하고, 기체의 온도를 높이면 부피가 증가한다.
압력이 일정할 때 온도에 따른 기체의 부피 변화와 분자 운동
• 기체의 온도가 낮아지면 기체의 분자 운동이 둔해지므로 기체의 부피가 감소한다.
• 기체의 온도가 높아지면 기체의 분자 운동이 활발해지므로 기체의 부피가 증가한다.
샤를 법칙
일정한 압력에서 기체의 부피는 기체의 종류에 관계없이 온도가 1`°C 올라갈 때마다 0`°C 때 부피의 1/ 273씩 증가한다.
⇨ 0`°C에서 기체의 부피는 0이 아니므로 그래프의 직선은 원점을 지나지 않는다.
샤를 법칙과 관련된 현상
① 열기구 속의 공기를 가열하면 열기구가 위로 떠오른다.
② 오랜 시간 고속도로를 달린 자동차의 타이어가 팽팽해진다.
③ 여름에는 겨울보다 자동차 타이어의 공기를 적게 넣는다.
④ 물이 조금 들어 있는 페트병의 마개를 막아 냉장고 속에넣으면 페트병이 찌그러진다.
모든 기체에 대하여, 기체의 양과 상관 없이 성립
이 법칙에 의하면 0 °C, 1 기압에서 모든 기체의 1 몰의 부피는 22.4리터이다.
이상 기체 법칙
pV = nRT
기체 분자의 개수가 n몰이라면, 실제의 개수 N은 n에 아보가드로 숫자를 곱한 것과 같다.
N = nNA
이상 기체 법칙을 기체 분자의 개수 N으로 표현하려면, 위 식을 사용하여 n을 소거하면 된다.
◆P-V 선도
왕복동식 압축기의 이론을 알면 용적식 공기압축기의 개념을 알 수 있다.
이론 사이클(ideal cycle) : 이론을 간단히 하기 위해 다음의 가정을 한다.
① 피스톤은 실린더의 끝에서 끝까지 이동한다(체적간극이 없다).
② 공기의 상태는 실린더에 흡입되는 동안은 흡입구와 같다.(흡입필터 및 관로의 압력강 하가 없다)
③ 피스톤의 마찰 및 밸브의 저항 등을 무시한다.
④ 압축된 공기는 압력용기에 들어가고 거기서의 압력, 온도는 변화하지 않는다.
이 가정은 壓力槽 내의 체적이 대단히 큰 경우든가, 압력조 내에서 배출되는 공기의 양이 각 순간에 압축기에서 보내는 공기의 양과 같은 경우에 성립된다.
- 그림 1은 왕복 압축기의 이론 사이클을 나타낸다.
- 피스톤의 흡입행정은 p=p1 의 직선④-①으로 표시되고,
피스톤이 압축행정으로 이동한 때에(점①) 흡입밸브는 닫히고, 실린더 내에 가두어진 공기는 곡선 ①-②에 따라 상태변화를 하면서 압축되고,실린더 내의 압력이 압력조 내의 압력 p2 에 이르면(점②) 토출밸브가 열리고,압축된 공기는 압력 p2 를 기본으로 압력조 내에 억지로 보내진다.
그러므로, 압력 p1을 기본으로 공기를 흡입하고이것을 압력 p2까지 상승해 보내는데 필요한 압축일은 면적 (④①②③)로 표시된다.
흡입행정 동안에 실린더에 흡입된 공기의 체적을V, 질량을 M, 공기의 비체적을 v라 하면 압축일은
- 이 일량은 압축이 이루어지는 동안의 공기의 상태변화의 과정에 따라 다르다. 실제 기계의 경우 이것을 정확히 아는 것은 어렵지만, 냉각이 불충분한때는 단열변화에 가깝고, 실린더 및 실린더 커버가충분히 냉각된 때는 등온압축과 단열압축의 중간상태가 되어 1<n<k의 폴리트로픽 압축이라 간주할수 있다.
실제 사이클(real cycle) : 실제 압축기에서 얻어지는 p-v선도를 나타내면 그림 2와 같으며 이것을 지압선도(指壓線圖; indicated diagram)라 한다. 실제 압축기에서는 피스톤이맨 끝에 도달하더라도 피스 톤과 실린더 커버의 사이에 약간의 틈새(clearance)가 있다. 이체적을 틈새체적(clearance volume)이라 하고 운전시에 생기는 압축열에 의해 피스톤 및 피스톤 로드가 팽창하여 피스톤이 실린더 커버와 충돌하는 것을 피하기 위해 설치된다.
- 피스톤이 상사점(top dead centre)에 있을때 이를 상사점 간극(top clearance) v c 이라 하고, 피스톤이 상사점에서 하사점(bottom dead centre)으로 움직이면 이 공간 내에 남아 있던 기체는 그림 3.21 (가)의 곡선 ③ * -④ * 를 따라 팽창한다.
- 기체의 체적이 v d 가 되어 압력이 흡입구 압력p 1 과 같아지면 흡입밸브가 열리고 흡입구로부터 실린더 내로기체가 흡입된다.
- 그러므로 실린더 내로 흡입된 기체의 체적은 v 1 -v d 가되고 실린더의 행정 체적은 v 1 -v c 이다.
- 기체의 팽창과정을 폴리트로픽 변화과정이라 하면p2 v cn =p1vdn이 되므로 체적효율 ηv는 대학교에서 배운다.
- 왕복 압축기는 기체가 흡입밸브(suction valve)와 송출밸브(delivery valve)를 지날 때의유동 저항 때문에 실린더 내의 압력을 나타내는 p-v선도는 그림 2 (나)와 같이 된다.
- 피스톤의 하향 행정중 실린더 내의 압력이 흡입구 압력p 1 보다 흡입밸브에서의 유동 저항Δ p 1 만큼 더낮아졌을 때(점④ ** ) 흡입밸그가 열려 외기가 실린더 내로 흡입된다.
- 상향 행정중에는 실린더 내의 압력이 송출구 압력 p 2 보다 송출 밸브에서의 유동 저항 Δp 2 만큼 높아 졌을 때 송출밸브가 열려 기체를 실린더 밖으로 밀어낸다.
- 공기의 흡입량은 일반적으로 흡입구에서의 공기의 상태로 나타내지므로, 그 상태로 환산하는데는 그림에서 팽창선 및 압축선이 p=p 1이 되는 선과 만나는 점에서 유효흡입량(effective suction volume), 즉 有效吸入行程(effective suction stroke)은 (v 1 *-v d )이다.
- 실린더 내로 새로이 흡입된 공기는 잔류공기와 혼합하여 그 열을 받음과 동시에, 연속 사이클의 압축 열에 의해 고온으로 된 실린더벽에서도 열을 받는다. 그러므로 압축 시작시의 공기의 온도 T 1 *는 흡입 구에서의 공기의 온도 T 1 보다 높다.
- 또, 압축 과정중에 실린더 내의 압력이 대기압(흡입구 압력)과 같아 졌을 때 기체의 온도는 압축일에 의해 T1**가 된다.
- 따라서 압축 과정중에 일어나는 기체의 온도 상승을 감안하면 유효 흡입 량은 (v1*-vd)T1/T1**이 되고 체적 효율 ηv는대학에서 배운다.
출처 : 경상대학교