[Include(틀:통계역학)] [목차] == 개요 == 열역학의 기초를 닦은 [[니콜라 레오나르 사디 카르노]]의 이름을 딴 카르노 기관은 모든 과정이 가역 과정인 카르노 순환으로 이루어진 이상적인 [[열기관]]이다. 주로 외연기관과 히트펌프에 적용되는 열역학 사이클이 카르노 사이클이다. == 일반인을 위한 설명 == >만 원이 들어있는 지갑을 들고 가게에 들어간다. 가게에 들어가서 계산을 한 후 지갑을 보니 3천 원이 남아 있었다. 가게에서 쓴 돈은 만 원에서 3천 원을 뺀 7천 원을 넘을 수 없다. 만약 가게에서 돈을 흘렸었거나 소매치기한테 돈의 일부를 도둑맞았다면, 가게에서 쓴 돈은 7천 원보다 더 적었을 것이다. 여기서 만 원은 들어가는 열, 7천 원은 소실된 열, 3천 원은 나가는 열을 의미한다. 즉, 무에서 유를 창조할 수는 없다는 것이 카르노 효율의 본질이다. 열이 들어가고 나갈 때 소실된 열만큼만 일을 할 때의 일 효율을 카르노 효율이라 한다. 먼저, 일반인을 위해 간략한 설명을 달자면 '''어떤 엔진을 이상적인 환경을 가정한 상태에서 작동 시킬 때''' 이 엔진을 바로 카르노 기관이라 할 수 있으며, '''그 상태에서 뽑아내는 이론상 최대의 효율'''이 카르노 효율이다. 따라서 어떤 기기를 카르노 기관이라 가정하고 해석하면 이론상 최고 효율을 알아낼 수 있는데, 그 기기를 실제로 작동시키며 측정한 효율이 카르노 효율보다 높게 나와 버렸다면 물리적으로 말이 안 된다는 소리가 되므로 어딘가 계산에 오차가 생겼거나, 측정 자체를 잘못했다는 결론이 되므로 해석적인 측면에서 중요한 이론적 기준점 역할을 한다. 이 카르노 기관은 열기관 중 가장 간단하므로 학부생들과 학생들에게 교재로서 일종의 사고 실험을 시키면서 열기관의 개념에 대해 가르칠 때 절찬리에 사용된다. 또, 고온부/저온부의 온도만으로 열효율이 간단하게 나오므로 현실 엔진의 효율을 계산한 계산 내용을 간편하게 검증해 볼 수 있다. 계산한 엔진의 열효율이 카르노 기관의 효율보다 높거나 낮아도 지나치게 근접한 경우 계산 실수를 했음을 바로 알 수 있다. 예를 들어, 카르노 기관 열효율이 60%가 나오면 해당 고온부/저온부 온도를 사용하는 현실 엔진에서는 40%만 얻어도 대단한 엔진인데, 계산 결과 열효율이 50% 넘게 나왔으면 계산을 틀린 것을 강력하게 의심해 보아야 하고, 60%를 넘으면 그냥 계산이 틀린 거다. 실제 엔진을 개발한 뒤 열효율을 계산할 때도, 카르노 기관 자체와 비교하지는 않고, 이상적 오토 기관이나 이상적 디젤 기관과 열효율을 비교한다. 카르노 기관은 일률이 0이 나오므로 현실에서는 무한한 시간을 들여 일을 얻는다는 건 불가능하고 결국 어떠한 유의미한 일도 얻을 수 없기 때문이다. == 공학도를 위한 설명 == 열기관은 열에너지를 역학적 에너지로 전환하는 에너지 변환장치인데, 카르노 기관은 같은 조건에서 열효율이 가장 높은 기관이다. 그냥 효율이 높은 게 아니라, "카르노의 정리"에 의해 고온부와 저온부의 온도가 정해졌을 때, 두 개의 가역 등온 과정과 두 개의 가역 단열 과정으로 이루어진 열기관(카르노 기관)의 열효율보다 높은 열효율을 가지는 열기관은 존재하지 않는다는 것이 증명되어 있다. 즉, 주어진 고온부와 저온부의 온도하에서 카르노 기관보다 높은 열효율의 기관은 만들 수 없다. 일종의 '''상한선'''인 셈. 그러나 열효율은 고온부에서 뽑아낸 [[열]](<math>Q_{\text H}</math>)에 비해 기관 외부로 뽑아낸 [[일(물리학)|일]](<math>w</math>)의 크기가 얼마나 큰지를 나타내는 수치일 뿐, 그 기관 설계를 토대로 현실에서 엔진을 만들었을 때 [[연비(자동차)|연비]]라든가 출력([[일률]]) 같은 것과는 직접적인 상관이 없다. 현실에서 카르노 기관을 만들어 놓으면 얻을 수 있는 일률은 0인데, 이는 카르노 기관의 단열 과정 단계는 항상 가역적 열평형 상태에 놓여있게 해야 하기 때문에 카르노 기관을 이루는 과정은 준정적(準静的, Quasi-static)과정이며(모든 가역 과정은 준정적 과정이다), 이 말인즉슨 각 과정마다 무한한 시간을 들여 천천히 일을 해주거나 뽑아내야 하기 때문이다. 빨리 일을 해줘 버리면 가역 등온 과정과 가역 단열(등엔트로피) 과정이 아니라 비가역 단열 과정이 되어 [[엔트로피]]가 변한다! 현실의 엔진의 경우, 등온 과정을 사이클에서 제거하고 다른, 빨리 진행 가능한 과정으로 대체하면서 열효율 부분을 적당히 타협한다. 대표적으로 두 개의 단열 과정과 두 개의 등적(등부피) 과정으로 이루어진 [[오토 기관]]이 있다. 오토 기관은 현재 [[자동차]]나 [[오토바이]] 등에 사용되는 [[가솔린 엔진]]의 행정 과정이다. [[디젤 엔진]]에 사용되는 디젤 기관 역시 등온과정을 포기하고 두 개의 단열과정과 한 개씩의 등적과정, 등압과정을 사용한다. 결과적으로 이런 기관들은 카르노 기관과 비교했을 때 고온부에서 뽑아낸 열 중에 일로 바뀌는 비율은 줄지만(열효율 감소), 단위시간 당 토해내는 일의 양은 늘어나 출력이 증가한다(일률 증가). 초기 상태의 열기관에 외부에서 일 투자를 해 주면 엔진이 사이클을 한 바퀴 돌면서 투자한 일보다 더 많은 일을 토해낸다. 물론 이 과정에서 고온부의 많은 열을 뽑내고 그보다 적은 열을 저온부로 수송하게 된다. 이렇게 초기 상태로 돌아온 엔진에는 전 과정과 마찬가지로 다시 일 투자를 해줄 수 있게 되며, 이런 열 엔진을 최소한 2개 이상 붙여서 서로에게서 나온 출력의 일부를 다른 엔진의 초기 상태에 투자하게 만들어서 계속 일을 토해내며 돌아가게 만든 것이 우리가 사용하는 [[내연기관]]이다. == 카르노 순환 == 카르노 순환은 다음 4가지 과정을 거친다. 1. 가역 등온 팽창 1. 가역 단열 팽창 (등엔트로피 팽창) 1. 가역 등온 압축 1. 가역 단열 압축[* 가독성을 위해 사각형의 형태로 그려지만 실제로는 1과정(등온팽창) 후의 부피보다 크다..] [[파일:600px-Carnot_cycle_p-V_diagram.svg.png|width=500]] [[파일:external/upload.wikimedia.org/CarnotCycle1.png|width=500]] == 효율 == 열기관의 효율은 일/투입된 열량인데, 위 s-T 그래프에서 확인할 수 있듯이 카르노 열기관의 효율은 고온부와 저온부의 비율로 알 수 있다. s-T 그래프는 엔트로피-온도 그래프이다. 따라서 넓이는 에너지를 나타낸다. 다만 카르노가 이 기관을 제안할 당시에는 엔트로피라는 개념은 없었다. 열역학 제2법칙이 없는 단계에서 순수 직관적 사고만으로 제안한 기관인 셈. {{{+3 <math>\eta=\frac{ W }{ Q_{\text H} }=\frac{ Q_{\text H}-Q_{\text C} }{ Q_{\text H} }=\frac{ T_{\text H}-T_{\text C} }{ T_{\text H} }=1-\frac{ T_{\text C} }{ T_{\text H} } </math>}}} == 여담 == 간혹 카르노 기관 효율을 뛰어넘은 기관을 만들었다고 주장하는 사람들이 나오곤 하는데 카르노 효율을 뛰어넘었다는 자체가 물리적으로 말이 안 되므로 [[특허청]]쪽에서 이런 주장을 취급할 때는 [[영구기관]]을 만들었다는 주장과 동급으로 취급하여 특허 신청을 받지 않는다. 현실적으로 카르노 기관의 이상에 이론적으로 근접한 [[스털링 기관]]이라는 것이 존재하기는 하나 이쪽은 실용성이 다른 내연 기관보다 뒤떨어진다. 공기의 열팽창, 수축을 이용하여 기관을 움직이는 터라 비슷한 크기의 기관들보다 출력량 자체가 터무니없이 적다. == 관련 문서 == * [[열역학]] * [[열역학 법칙]] [[분류:열역학]]