공조냉동기계기사 2015년 1회 A형 문제풀이 (기계열역학)

 

2015년 1회 A형 문제풀이 (기계열역학)

 

 

1. 온도 T1 고온열원으로부터 온도 T2의 저온열원으로 열량 Q가 전달될 때 두 열원의 총 엔트로피 변화량을 옳게 표현한 것은?

ΔS1=-Q/T1 **고온열원에서는 열을 잃기 때문에 -Q

ΔS2=+Q/T2 **저온열원에서는 열을 얻기 떄문에 +Q

ΔS1+ΔS2= -Q/T1+Q/T2 = Q(T1-T2)/T1T2 

    

 

2. 어떤 이상기체 1kg이 압력 100kpa, 온도 30℃의 상태에서 체적 0.8m3을 점유한다면 기체상수는 몇 kJ/kgㆍk인가?

 

이상기체공식 : PV=mRT -> R=PV/mT = (100*0.8)/(1*303) = 0.264

절대온도 환산 = (30 + 273)K = 303K

 

 

3. 카르노 사이클에 대한 설명으로 옳은 것은?

카르노사이클 P-v선도(왼) / T-s선도(우)

 

2개의 등온과정 (T-s선도)/ 2개의 단열과정 (P-v)선도로 이루어짐

 

 

4. 증기압축식 냉동기에는 다양한 냉매가 사용된다. 이러한 냉매의 특징에 대한 설명으로 틀린 것은?

 

-> 냉매로 주로 활용되고 있는 할로카본은 크게 CFC, HCFC, HFC로 분류할 수 있는데, CFC는 염소, 불소 및 탄소로 구성된 '염화불화탄소'로서 R11, R12, R113, R114 및 R115 등이 이에 포함된다. HCFC는 구성 원자 중에 최소한 수소가 한 개 이상 포함되어 있는 '수소화염화불화탄소'로서 R22, R123, R124, Rl4lb 및 Rl42b 등이 여기에 포함된다. 성층권의 오존을 파괴하는 주요 인자가 염소임을 감안하면 CFC의 오존층붕괴지수가 이들 중에서 가장 높음을 쉽게 알 수 있다.

-> R12도 CFC에 포함되며, CFC는 오존층 파괴의 원인이 되어 사용 금지되었다.

 

 

5. 대기압 하에서 물의 어는 점과 끓는 점 사이에서 작동하는 카르노사이클(Carnot Cycle) 열기관의 열효율은 약 몇 %인가?

η= (1-T저/T고)*100 = (1-(0+273)/(100+273))*100 = 26.8

** 물의 어는 점 : 0 / 물의 끓는 점 : 100을 절대온도로 환산하여 계산

 

 

6. 과열기가 있는 랭킨사이클에 이상적인 재열사이클을 적용할 경우에 대한 설명으로 틀린 것은?

**4-과열기 / 6-재열기를 적용한 사이클

1) 면적이 넓어졌기 때문에 열효율이 더 높은 것을 알 수 있다.

2) 재열기에서 과열도를 높임으로써 건도를 증가시킴. 즉 터빈 출구 건도가 증가됨

3) 과열기와 재열기의 기기가 추가되었으므로 기기 비용이 증가됨.

4) 7-1의 온도는 동일하므로 입구 온도를 증가시키는 것은 틀렸음

 

 

7. 물질의 양을 1/2로 줄이면 강도성(강성적) 상태량의 값은?

* 종량성 상태량 : 질량에 관계

* 강도성 상태량 : 질량과 무관

 

 

8. 단열된 용기 안에 두 개의 구리블록이 있다. 블록 A는 10kg, 온도 300k이고, 블록B는 10kg, 900k이다. 구리의 비열은 0.4kJ/kgㆍk일 때, 두 블록을 접촉시켜 열교환이 가능하게하고 장시간 놓아두어 최종 상태에서 두 구리 블록의 온도가 같아졌다. 이 과정 동안 시스템의 엔트로피 증가량(kJ/k)는?

 

여기에 비열과 각 물체의 질량 온도를 대입해주면 평형점의 온도 T = 600k

T = 600k, ΔT = 300k, m = 10kg, c = 0.4kJ/kg를 대입하면,

10*0.4*In(600^2/600^2-300^2) = 1.15

 

 

9. 전동기에 브레이크를 설치하여 출력시험을 하는 경우, 축 출력 10kW의 상태량에서 1시간 운전을 하고, 이 떄 마찰열을 20℃의 주위에 전할 때 주위의 엔트로피는 어느정도 증가하는가?

 

ΔS= Q/T = (10kW*3600s)/(20+273) kJ/k = 122.87 kJ/k

 

 

10. 한 사이클 동안 열역학계로 전달되는 모든 에너지의 합은?

 

-> 한 사이클은 후는 열평형. 모든 에너지의 합은 0이다.

 

 

11. 20℃의 공기(기체상수 R = 0.287 kJ/kgㆍK, 정압비열 Cp = 1.004 kJ/kgㆍK) 3kg이 압력 0.1MPa에서 등압 팽창하여 부피가 두 배로 되었다. 이 과정에서 공급된 열량은 대략 얼마인가?

 

Qp = mCp(T2-T1) = 3*1.004*(T2-20)

T2를 구하려면

 

V1/T1 = V2/T2

부피가 두 배이므로

T2/T1 = V2/V1 -> 2 = T2/(20+273)

T2= 586

 

3*1.004*(586-273-20) = 882.5kJ

 

 

12.대기압 하에서 물질의 질량이 같을 때 엔탈피의 변화가 가장 큰 경우는?

1) 100℃물 -> 100℃수증기 : 539kcal/kg

2) 100℃공기 -> 200℃공기 : GCΔT = 1*0.24*(200-100) = 24kcal/kg

3) 90℃물-> 91℃물 : GCΔT = 1*1*(91-90) = 1kcal/kg

4) 80℃공기-> 82℃공기 : GCΔT = 1*0.24*(82-80) = 0.48kcal/kg

 

13. 성능계수(COP)가 0.8인 냉동기로서 7200 kJ/h로 냉동하려면, 이에 필요한 동력은?

 

성능계수 = Q저/W 

0.8 = (7200/3600)/W    **h를 s로 환산

W = 2.5

 

 

14. 밀폐계에서 기체의 압력이 500kPa로 일정하게 유지되면서 체적이 0.2m3에서 0.7m3으로 팽창하였다. 이 과정 동안에 내부에너지의 증가가 60kJ이라면 계가 한 일은?

 

 

 

15. 난방용 열펌프가 저온 물에체서 1500kJ/h의 열을 흡수하여 고온 물체에 2100kJ/h로 방출한다. 이 열펌프의 성능계수는?

성능계수 = Q고/W = 고/(고-저) = 2100/(2100-1500) = 3.5

 

 

16. 오토사이클에 관한 설명 중 틀린 것은?

1) ε(압축비)증가, σ(체절비)감소, ρ(폭발비)증가 -> 열효율 증가

2) 효율이 제일 좋은 것은 디젤!

3) 오토사이클은 불꽃점화의 이상사이클

4) 열의 공급은 일정한 체적하에 일어남.

 

 

17. 냉동효과가 70kW인 카르노 냉동기의 방열기 온도가 20℃, 흡열기의 온도가 -10℃이다. 이 냉동기를 운전하는데 필요한 이론동력(일률)은?

 

효율 = Q저/W = 저/(고-저) = 263/30 = 8.76

따라서

 70/8.76 = 7.98 kW

 

18. 밀폐 시스템의 가역 정압 변화에 관한 다음 사항 중 옳은 것은? (단, U :내부에너지, Q :전달열, H :엔탈피, V :체적, W :일)

정압에서 Qp=ΔH

 

 

19. 저온 열원의 온도가 T1, 고온 열원의 온도가 Th인 두 열원 사이에서 작동하는 이상적인 냉동 사이클의 성능계수를 향상시키는 방법으로 옳은 것은?

 

Q저/W = 저/(고-저)

저온체의 온도 증가 또는 (고-저) 감소

 

20. 최고온도 1300k와 최저온도 300k사이에서 작동하는 공기표준 Brayton사이클의 열효율은 약 얼마인가? (단, 압력비는 9, 공기의 비열은 1.4)