자유 팽창(free expansion) vs. 교축(throttling) 과정

가스 및 증기 누출은 교축(絞縮, throttling) 과정이나 자유 팽창(free expansion) 과정에서 이루어진다. 따라서 양 과정의 차이점에 대해 공유하고자 한다. 

 

 

 

자유 팽창(free expansion) vs. 교축(throttling) 과정

자유팽창(free expansion) 과정

자유팽창(自由膨脹, free expansion)은 단열된 진공 공간으로 저절로 팽창하는 비가역과정이다.

 

이 과정에서 외부에서 행해지는 일이 없으며 단열이 된 계 내부에서 기체가 진공상태로 확산되어 새로운 평형상태에 도달하는 일련의 과정을(Q=0, W=0) 바로 '자유팽창(비가역 단열) 과정'이라고 한다.

 

여기서 중요한 포인트는 이상기체의 자유팽창 과정은 등온과정이라는 점이다.

비가역 과정이므로 정확한 경로는 알 수 없으나 처음과 끝점이 1과 2로써 진행되는 열역학적인 과정이 진행된다고 할 때 이 과정에 열역학 1법칙을 적용하면 ΔQ=ΔW+ΔU (상태1 ⇒ 상태2)가 되고 단열된 용기이기 때문에 ΔQ=0 이 되며, 기체는 어떠한 저항도 받지 않으면서 팽창하기 때문에 ΔW=0 이 된다.

따라서 ΔU 값은 0 이 되어야 하는데, 이상기체의 경우, 내부에너지는 온도만의 함수이기 때문에 ΔU=0 이라는 말은 곧 온도가 일정하다는 말과 같다. 따라서 공기를 이상기체로 가정할 경우 자유팽창과정은 등온과정이 되는 것이다.

 

 

또한 자유 팽창 누출의 경우 대부분의 압력 에너지가 운동 에너지로 변환되며, 일반적으로 등엔트로피(isentropic) 거동에 대한 가정이 유효하다.

 

* 자유 팽창 누출 과정의 세부적인 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1415

구멍을 통한 증기·가스의 누출량

 

 

교축(絞縮, throttling) 과정

유체가 노즐이나 팽창밸브, 오리피스, 모세관 등과 같이 유로(流路)가 좁은 곳을 통과하게 되면, 유체는 단열상태에서  외부와 열량이나 일량의 교환 없이도 유체의 마찰과 와류의 증가로 압력이 감소하는데, 이와 같은 현상을 교축(絞縮,throttling)이라 한다.

 

교축(絞縮, throttling) 과정은 주로 고압 유체의 압력강하를 위해서 사용되고, 이 영역에서 Q=0(열의 유출입은 0), W=0(일의 양도 0)이며 Throttle valve 전후의 Enthalpy가 같은 등엔탈피 과정(Isenthalpic process)으로 실제 상황에서 발생되므로 비가역 단열 과정이다.

 

 

교축과정에서 온도와 압력은 변화되지만, 교축 전후에서 외부와 열량이나 일량의 교환 없기 때문에, 엔탈피(h = U + PV)가 일정하게 유지되는 등엔탈피 과정(Isenthalpic process)이 된다. 

출처 : 국립한국교통대학교 전문수 강의 자료(제 5장. 검사체적의 질량 및 에너지 해석)

 

* 교축 Throttling 과정의 세부적인 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1417

교축 Throttling

 

교축 과정의 몇 가지 특성은 다음과 같다:

- 이상적인 기체에서 엔탈피는 온도의 함수일 뿐이며 온도는 일정하게 유지된다.

- 대부분의 실제 가스의 경우 온도가 감소한다.(He, H2 등은 상온에서 온도가 증가)

- 액체가 증발할 수 있다.