(주) 쌍희- 열선,특수선

열량 계산 방법

어떤 물체에 열을 가하여 온도를 올릴 때는 일정한 공식이 적용되는데,

열역학이 기초가 되어 아주 방대하므로 여기서는 다루지 않고,

단지 간단히 에너지를  계산하는 공식 몇가지만 올리겠습니다.

우선 열열학의 법칙은 알아야겠지에 간단히 기술하면,

열역학 제 1 법칙 : 모든 에너지는 완전히 존재한다,

                              즉, 우주에너지는 일정하다.

열역학 제 2 법칙 : 일정량의 에너지를 얻어서 이것을 완전한 역학적 에너지로 전환시키는 기관은

                              만들 수 없다.

열역학 제 3 법칙 : 절대 영도에 도달하는 것,

                              즉, 엔트로비 값이 0 (Zoro ) 이 되는 것은 불가하다.

1. 흡수 에너지

접촉하고있는 두 물체간에 온도 차이로 인해 한쪽에서 다른 쪽으로 이동되는 에너지를 "열" 또는 "열에너지"라고 부르며,

이 열량의 단위를 칼로리(cal),킬로칼로리(Kcal)라고 합니다.

예를 들자면 지구 상에 가장 흔한  물질 중에 하나인 물 1g을 1도 올릴 때 필요한 열량을 1 cal 라고 규정하여 단위로 사용하고 있다고 생각하면 됩니다.

그 열용량 즉 흡수에너지는 같은 물질에서는 그 질량(무게)에 비례하고,

또 어떤 물질 1g을 1℃ 올리는데 필요한 열량을 "비열" 이라고 합니다.

여기서 잠깐,

전력량인 시간당 1W는 1Wh로 표기되는데,

1Wh는 859.845의 cal를 발산하므로 통상 860cal로 계산하게 되어서,

1Wh= 860cal 라고 합니다.

그럼 어떤 물질을 일정한 온도까지 승온시키는데 필요한 전력량을 계산하려면

다음과 같다.

Q=m X c X (t2 - t1)이고,

Wh=m X c X (t2 - t1) /860 입니다.

Q : 흡수에너지 ( cal )

m : 물질의 무게 ( g )

c :  물질의 비열 ( cal )

t2 : 도달 온도 (℃ )

t1 : 시작 온도 ( ℃ )

* 이 공식은 열을 올릴때 사용되는 공식이며,

  각각의 물질에 따라 열전달 계수 즉, 비열은 다음과 같습니다..

2. 잠열

어떤 물질이든지 고체를 액체로 변화시키거나 액체를 기체로 변화 시킬때는 일정한 온도에서  일어나는데,

그 온도를 용융점(녹는점),기화점(고체가 바로 기체로 변화되는 것은 승화라고 함)이라고 합니다.

그런데 이 온도에서 가해지는 열은 변태를 위한 분자의 운동에너지로 모두 소모되기 때문에 물체의 온도를 올리지 못하게 됩니다.

다시말해서 일정 온도의 고체 (또는 액체)를  같은 온도의 액체 (또는 기체)로 변화시키는데 필요한 에너지를 융해 잠열(Hf) 또는 기화 잠열(Hv),승화 잠열이라고 합니다.

이것을 우리는 통상 "융해열" (또는 "기화열", "승화열") 이라고도 하는데, 

아래와 같은 공식이 적용됩니다.

융해열 Q = m X Hf

기화열 Q= m X Hv

Q : 융해(기화) 에너지 (cal )

M : 물질의 무게 (g )

Hf : 물질의 융해 잠열 ( cal/g )

Hv : 물질의 기화 잠열 ( cal/g )

* 이 공식은 금속을 녹이는 용광로 나 냉동된 물체의 해빙이 필요한 경우이거나,

  특히 물을 수증기로 바꾸거나, 건조기 같은 경우와 같이 수분증발이 필요한 경우 이용되며,

  가장 많이 적용되는 물의 경우는 Hf 는 80 cal/cc(g) 이고 Hv 는 539 cal/cc(g) 입니다.    

3. 열 손실 에너지

위와 같이 흡수에너지와 잠열 말고도 주변으로 열이 손실되는 에너지를 합해야 만 온도를 올리는데 필요한 총 열량이 산출됩니다.

하지만 "열효율"라고 해서 전체 에너지에 비례로 계산하게 됩니다.  

총 에너지=(흡수 에너지+ 잠열+ 열손실에너지) X 1.1~1.3

또는

총에너지= (흡수 에너지+잠열) X 열효율 X 1.1~1.3

로 계산되어 집니다.

* 통상 총 에너지 산출시에 안전계수 1.1~1.3 을 더 곱하게 됩니다.

이 손실 에너지는 열이 손실되지 않도록 단열을 잘하면 낮아지겠지만,

그렇지 않으면 공급된 에너지의 대부분이 손실되어 버립니다.

그리고 또 단열재의 재질, 두께 등에 따라 다르기 때문에 이 부분은 방대하고 복잡하여 따로  공부하거나 자료를 찾지 않으면 안되며,

그런 자료가 없다면 직접 테스트를 하여  손실 에너지를 찾는 방법 뿐이 없습니다.  

* 전 개인적으로 필요한 제품을 만들때:

  열선을 생각보다 길게하여서 전원을 공급해 보고,

  열량이 생각보다 적게 나오면 조금씩 길이를 짧게 잘라내면서 테스트를 해서 찾아냅니다.

  (열선의 길이가 길면 열량이 적게 나오고, 짧으면 짧아 질수록 열량은 증가 합니다.)   

4. 승온에 필요한 간단한 전력량 계산법

 아래 공식은 WATLOW 사에서 발췌한 내용입니다.

(주) 쌍희

▒ 전기에너지 KW를 kcaL로의 환산 ▒

J열 = 0.24 I²R T, I²R(KW)=0.24×3.600 , 1KW=864kcal

1KW=864kcal라고 하는 상기 공식에서  "0.24*3600 = 864" 는 0.24가 근사치 값이라 오히려 정확도가 떨어집니다.

정확히 계산하면 0.24가 아니라 0.23884‥‥가 참값입니다,

이걸로 계산 하면 0.23884*3600 ≒ 859.8 정도 되네요.....

고로 상기 공식에서 전기1kw를 열량으로 환산하면 ≒ 860 ㎉ 로 계산해야 맞읍니다.

참고로 얘기하면

기름의 발열량은 ℓ당 10,300 ㎉

LNG 가스는 ㎥당 10,500 ㎉

LPG 가스는 ㎏당 12,000 ㎉

전기는 ㎾당 860 ㎉ 정도로 계산하는것이 일반적 입니다..

오옴의 법칙도 첨가하면,

전력 (W) = 전류 ( I ) x 전압 (V)

         

          전력(W)

          전력 단위(W), 1초 동안에 1 Joul의 에너지 소비에 상당하는 전기의 힘.

 

          전압(V)

          전압 단위(V), 전기장 또는 도체 내 두 점 사이의 전기적인 위치에너지 차

 

        전류(I)

          전류 단위(A), 전하가 연속적으로 이동하는 현상

 

       저항(R)

        저항 단위(Ω), 전류가 통과하기 어려운 정도를 표시하는 수치

 

참고

※1cal=질량1g의 물을 1 기압 하에서 1℃ 올리는데 필요한 에너지

※1kcal=1000cal=4186.05J

※얼음에서 물로 융해를 위한 필요열량=ℓ당-----80kcal

※물에서 수증기를 만들기 위한 필요열량=ℓ당---539kcal