바이오 열역학

조성인 , 이중용 , 정종훈 , 송대빈 지음

서울대학교출판문화원 2024년 02월 25일 출간 종이책 : 2014년 08월 25일 출간

작품소개

책소개

바이오시스템공학을 전공하는 학부생을 위한 열역학교재. 이 책은 농업생명과학 분야의 저명한 교수 4인이 4년여에 걸쳐 집필한 역작이다. 바이오시스템공학을 전공하는 대학생에게 강의할 열역학 교재로서, 열역학의 대상을 통상적 범위에서 생체와 생물생산·가공을 위한 기계와 시설을 추가하는 한편, 필요한 열역학 기본개념을 간결·명료하게 설명하고, 이해에 필요한 예제와 연습문제를 적절히 배치하여 개념 이해를 정확히 하였는지 확인할 수 있다.

목차

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

책 속으로

머리말

서울대학교 농업생명과학대학에서 열역학을 15여 년 동안 강의하면서 아쉬웠던 점은 공학의 기본 역학 중의 하나인 열역학에 대한 많은 책이 출판되어 있으나 일반 공학분야 전공 학생을 대상으로 하는 내용위주로 책이 구성되어 동물과 식물 나아가서는 인간을 대상으로 연구하는 생명공학도를 대상으로 하는 적당한 열역학 교재가 없었다는 점이다.
이러한 연유로 교재 발간에 뜻있는 분들이 생명공학 분야 응용에 적합한 열역학 교재를 집필하기로 하였다. 본 교재의 내용은 바이오시스템을 이해하는 학생을 대상으로 하여 열과 일, 에너지에 대한 기초 개념을 이해하고 열과 에너지의 이용 효율 극대화를 위한 열역학시스템의 공학적 설계 능력과 성능 분석을 위한 기초 과학 이론을 습득하고, 나아가서 열기관, 열전달, 냉난방, 생물환경, 농산물 건조 및 저장 등의 바이오시스템 공학 분야에 실제 적용하는 능력을 배양하는 목적으로 구성되었다.
특히 각 장의 내용에 맞는 예제나 연습문제는 식물과 동물 시스템, 인간 생활에 관계된 장치나 시스템을 대상으로 하고자 노력하였다. 본 교재의 내용이 생명공학도에게 열역학적인 지식을 바이오시스템 관점에서 이해하고 적용하는 능력 향상에 조금이나마 도움이 되었으면 한다.

2014년 7월

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. 3쪽

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.119쪽

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.213쪽

열역학의 중요하고도 흥미로운 응용 분야의 하나는 생체계인데 여기서는 에너지 전달과 변환 과정이 상당히 복잡하다. 인체는 열적인 평형에 있지 않으므로 해석하기가 쉽지 않다.
인체는 기본적으로 수소, 산소, 탄소 및 질소의 네 가지 원소로 이루어져 있다. 인체를 구성하는 전체 원자 중에서 수소는 63%, 산소는 25.5%, 탄소는 9.5% 그리고 질소는 1.4%를 차지한다.251쪽

출판사 서평

바이오시스템공학을 전공하는 학부생을 위한 열역학교재

열역학은 자연을 설명하는 핵심적인 과학이며 새로운 기술을 창조하는 공학의 한 분야로서, 그 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 열에 대한 학문적 성과가 축적되고 학문 간 융합이 강조되는 오늘날 열역학 교재는 날로 두꺼워지고, 이해를 돕기 위한 자료가 풍부해졌으나 핵심을 이해하는 데 오히려 방해가 되고 있다. 바이오시스템공학은 공학에 농학과 생물학이 융합된 분야로서 21세기 들면서 농생명산업의 부가가치를 높이기 위한 교육과 연구를 요청받고 있다. 이 교재는 열역학의 적용 대상을 생물생산용 기계나 가공시스템만이 아니라 작물·가축시스템으로 확대시키기 위한 강의실에서 노력을 정리한 것이다. 바이오 열역학을 정립하기엔 생체에 대한 열역학적 연구결과가 부족하고 이를 정리하는 저자들의 능력도 크게 부족한 것이 사실이지만, 이 교재를 통하여 미래 인재인 학부생들이 새로운 영역을 개척하는 ‘청출어람 청어람’을 기대한다.

이 책은 농업생명과학 분야의 저명한 교수 4인이 4년여에 걸쳐 집필한 역작이다. 이 책의 특징은 바이오시스템공학을 전공하는 대학생에게 강의할 열역학 교재로서, 열역학의 대상을 통상적 범위에서 생체와 생물생산·가공을 위한 기계와 시설을 추가하는 한편, 필요한 열역학 기본개념을 간결·명료하게 설명하고, 이해에 필요한 예제와 연습문제를 적절히 배치하여 개념 이해를 정확히 하였는지 확인할 수 있다는 점이다. 그동안 열역학에 대한 책은 여러 군데에서 발간된 적이 있지만 생명공학도를 대상으로 하는 책은 없었다.
이 책은 그러한 점을 고려하여 생명공학도가 반드시 알아야 할 부분을 압축하여 바이오열역학이라는 주제로 일관되게 설명하고 있다.

작가정보

저자(글) 조성인

저자 조성인은
서울대학교 농과대학 농공학과, 농학사
미국 Purdue Univ. 대학원 Agricultural Engineering학과, 공학석사(M.S.)
미국 Purdue Univ. 대학원 Agricultural Engineering학과, 공학박사(Ph.D)
(현) 서울대학교 농업생명과학대학 바이오시스템·소재학부, 교수

저자(글) 이중용

저자 이중용은
서울대학교 농과대학 농공학과, 농학사
서울대학교 대학원 농공학과, 농학석사(M.S.)
미국 Univ. of Illinois at Urbana-Champaign 대학원
Agricultural and Biological Engineering학과, 공학박사(Ph.D)
(현) 서울대학교 농업생명과학대학 바이오시스템·소재학부, 교수

저자(글) 정종훈

저자 정종훈은
서울대학교 농과대학 농공학과, 농학사
서울대학교 대학원 농공학과, 농학석사(M.S.)
미국 Louisiana St. Univ. 대학원 Biological and Agricultural Engineering학과, 공학박사(Ph.D)
(현) 서울대학교 농업생명과학대학 바이오시스템·소재학부, 교수

저자(글) 송대빈

저자 송대빈은
서울대학교 농과대학 농공학과, 농학사
서울대학교 대학원 농공학과, 농학석사(M.S.)
서울대학교 대학원 농공학과, 공학박사(Ph.D)
(현) 경상대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과, 교수