상태방정식, 압축인자, 비리얼계수

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상태방정식, 압축인자, 비리얼계수

상태방정식 (EoS, Equation of state)

물질(matter)은 주어진 조건 하에 열역학적 물성값들(properties)이 나타나는 상태(state)가 존재한다. 

 

다시 말해, 주어진 조건(압력, 부피, 온도 등)을 변수로 해당 물질의 상태를 수식 관계로 표현할 수 있는데, 

이를 상태방정식(equation of state)이라고 한다. 

만약, 관심이 있는 계(system)이 열역학적 평형(thermodynamic equilibrium) 상태라면 아래와 같이 나타낼 수 있다. 

이러한 상태방정식을 활용하면, 주어진 조건을 주어지면 알지못한 다른 물성치들을 계산으로 유추할 수 있다. 

하지만 아쉽게도, 상태방정식은 실제로 모든 조건하에서 실제 물성치를 잘 계산하기는 쉽지 않다. 

특정 조건하에는 실제와 비슷한 물성값들을 계산할 수 있을지언정 엄밀하게 다 맞다고 할 수 없다. 

그렇기 때문에 연구자들은 실제 물성치를 잘 추종할 수 있는 상태방정식을 개발하고자 했다. 

가장 기본적인 상태방정식의 형태는 비리얼 방정식이다.

상태방정식 - 비리얼 방정식

비리얼 방정식은 위와 같이 비리얼 계수(B', C', D' 혹은 B, C, D)로 구성된 상관식이다. 

여기서 pv/RT를 압축인자(compressibility factor, Z)라고 표현 가능하다. 

압축입자(Compressibility factor, Z)

압축인자는 임의의 온도, 압력의 상태에 있는 특정기체의 부피와 동일한 조건에 있는 이상기체의 부피와의 비를 압축인자 Z로 정의할 수 있다. 

압축인자의 값이 1이면 이상기체와 동일하게 행동한다는 뜻으로

1이 아닌 값이라면, 특정한 기체의 거동이 이상기체의 행동으로부터 얼마나 벗어나는지에 대한 척도이다.  

예를들어, CO2의 경우, 200 atm 이하에서 압축인자가 상당히 낮다. 

즉, 이 조건에서는 이상기체보다 밀도가 높은 기체이라는 뜻이므로,

이러한 특성때문에 발전사이클에 작동유체로 쓰이기도 한다 .

참고 - https://joonyoungsun.tistory.com/entry/%EB%B6%84%EC%9E%90-%EC%83%81%ED%98%B8%EC%9E%91%EC%9A%A9

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2020. 01. 15 작성

2020. 05. 24 압축인자 수정