공모연수4-5-임성숙(열기관&용수철기차)

오늘의 마지막 순서는 내가 했다.

토요일 오후인데다 끝날 시간이 다 되어 부담이 되는 시간이다.

수업 후에 설문까지 생각하면 1시간이 아니라 40분 정도의 시간만이 주어졌다.

연수가 스마트에너지인 이유부터 이야기도 해야 해서 실제 실험은 시범 실험만 보여줄 수 있었다.

스마트에너지라는 용어는  4차 산업혁명에 적응하기 위한 교육에 대해 생각해보자는 의미에서 붙인 용어였다.

그러므로 4차 산업혁명이라는 것이 무엇인가? 라는 것에 대해 설명부터 시작하였다.

1차 산업혁명의 이해를 위해 열기관을, 2차 산업혁명의 이해를 위해 발전기 실험을 시범으로 했다.

고등학교에서 카르노의 열기관, 스털링엔진의 운동을 알아보기 위해 열심히 기출문제만을 풀어본다는 것은 의미도 없고 흥미가 생기지도 않으리라는 생각에서 시작한 단원이었다.

생각보다 흥미를 가지고 들어주셔서 감사한 마음이었다.

 

 

 

1. 4차 산업혁명이 뭐지?

4차 산업혁명이란 인공지능, 빅데이터 등 디지털 기술과 연결된 사물인터넷, AI, 빅데이터 등 지능정보기술로 촉발된 기술 문명으로 가기 위한 산업구조와 사회 체계에 혁신을 일으키는 시도라고 한다. 이러한 산업혁명은 인공지능을 어떤 문제도 해결할 수 있는 마법사처럼 생각되어 인간이 해야 할 역할이 줄어든다고 생각하기도 한다. 예전에는 하나의 기술이 개발, 보급되기까지 많은 시간이 필요하였는데 최근에 개발된 기술들은 거의 실시간으로 개발된 내용이 공개되어 기존의 컴퓨터 프로그래밍이 불필요하게 느껴지기도 한다. 그러나 4차 산업혁명 세대에는 기존의 자료들을 어떻게 사용할 수 있는가, 복잡한 문제를 어떻게 쉽게 풀 수 있는가를 생각할 수 있는 인간의 능력이 더 필요한 것이다. 즉, 인공지능과 같은 4차 산업 시대의 문명들은 막연한 미래기술이 아니다. 1,2,3차에 걸쳐 산업혁명이 일어나는 과정을 돌아보면서 풀고자 하는 문제의 특성을 체계적으로 분석, 정리하고 각 부문에 적합한 기술을 복합적으로 활용하는 자세를 함양할 필요가 있다. 이에 본 연수에서는 1, 2차 산업혁명의 근간이 되었던 열기관과 발전기의 원리를 생각해보는 시간을 가지고자 한다.

 

2. 열기관의 원리를 알아볼까?

 

가. 열기관

열기관은 주위에서 열에너지를 끄집어내어 일을 수행하는 장치이다. 이때 모든 열기관의 핵심은 작동물질이다. 증기기관에서는 증기나 액체 형태의 물이 작동물질이다. 자동차 엔진에서는 휘발유와 공기의 혼합물이 작동물질이다. 만일 열기관이 지속적으로 일을 하려면 작동물질은 순환 작동되어야 한다. 즉, 작동물질은 각 상태가 반복되는 순환과정이라고 불리는 열역학적 순환과정을 거쳐야 한다.

 

나. 내부에너지와 기체가 하는 일

내부 에너지는 물질을 구성하고 있는 에너지(운동에너지와 퍼텐셜에너지)의 총합으로 기체의 절대 온도가 높을수록 크다.

기체가 하는 일은 기체가 팽창할 때 외부에 일을 한다.

기체가 일정한 압력 를 유지하면서 부피가 만큼 팽창하면 기체는 외부에 만큼의 일을 한다.

 

다. 카르노 기관의 작동과정

이상기관은 열로써 일을 할 때 원리적으로는 최상의 기관이다. 카르노는 놀랍게도 열역학 제 1법칙이나 엔트로피의 개념의 발견되기 이전에 이 기관의 성능을 분석하였다. 다음 그림은 카르노 기관의 작동 개요이다. 한 번의 순환과정 동안 작동물질은 높은 온도 T2인 열저장체에서 열 Q2를 흡수하며 낮은 온도 T1인 열저장체로 열 Q1을 방출한다.

카르노 기관은 이상기체를 사용하는 가상의 이상적인 기관이다. 그러므로 외부로 손실되는 열이 없기 때문에 실제로 존재하는 열기관들에 비해서 열효율이 높다.

그래프와 같은 4가지 과정을 되풀이하면서 일을 하게 된다.