대한조선학회

	January, 2022
[신간소개] 친절한 공학 열역학

한 줄 소개: 친환경 선박, 탈질소, 탈황, 탈탄소와 같이 새롭게 등장하는 변화를 이해하기 위해서 요구되는 열역학 필수 지식, 엔탈피, 엔트로피, 사이클, 상평형, 혼합물 물성 변화, 반응의 기초 등의 내용을 비전공 학부생 눈높이에 맞춰 쉽게 풀어낸 기초 교과서. 물리적, 화학적 배경지식이 부족하여 어려움을 겪거나 심화 응용 단계에서 답답함을 느끼는 분들을 위해서 학생들이 자주 묻는 질문(FAQ)에 대한 답변을 중심으로 내용이 구성되어 있다. 최근 환경오염과 기후변화를 둘러싼 친환경 이슈는 전세계적인 패러다임 전환을 가져오고 있으며, 그 결과 질소산화물/황산화물 배출저감, LNG(liquified natural gas, 액화천연가스) 사용의 증가, 수소 및 암모니아와 같은 대체연료의 활용 등 다양한 분야에서 다양한 변화를 야기하고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 BOG 재액화 시스템, SCR(선택적 촉매환원반응)시스템 등 다양한 공정시스템이 선박에 이미 적용되고 있으며, LNG 추진엔진을 넘어 수소 연료전지나 암모니아 추진엔진과 같이 기존에는 선박과 무관하다고 생각했던 새로운 개념들도 적용 논의가 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 개념들을 이해하기 위해서는 혼합물의 성질 (property), 에너지와 반응에 대한 이해가 필수적이며, 이를 다루는 가장 근간이 되는 학문이 열역학이다. 열역학은 공대의 4대 역학 중 수리적 난이도가 높은 교과목은 아니나, 변화하는 고교 교과과정과 배경지식의 부족으로 인하여 열역학에서 다루는 개념을 받아들이기 어려워하는 학생들이 적지 않다. 이러한 학생들을 위하여 본서는 다음과 같은 접근방식을 취하고 있다. 1) 열역학을 접하는 많은 학생들이 받아들이기 힘들어하는 개념들을 기초적인 수준에서부터 상세하고 친절하게 풀어서 전달하고자 하였다. 2) 요구되는 수학적 배경을 배운 것 혹은 배울 것으로 간주하고 넘어가지 않고, 가능한 한 상세하게 설명하는 과정을 포함하여 체감 난이도를 최대한 낮추고자 하였다. 3) 공학이 실용을 목적으로 하는 근사의 학문임을 받아들일 수 있도록 구체적인 숫자로 답을 얻을 수 있도록 하였다. 4) 융합적 배경을 염두에 두고 열역학을 폭넓게 다루고자 하였다. 5) 서로 다른 번역에서 오는 오해를 피하기 위해서 영문명을 병기하고 통용되는 번역어가 다수인 경우 모두 표기하였다. 나아가 본문에서 다루는 예제 중 수치해석법을 사용하거나 풀이가 복잡한 경우 그 연산 내용과 결과를 정리한 엑셀 예제를 별도 제공하여 학습자들이 수치해법 결과를 보다 이해하기 쉽게 접근할 수 있도록 하였다. 1장에서는 열역학의 기본이 되는 계, 물성, 상태, 공정 및 상(phase)의 개념을 소개하고 있다. 2장에서는 열역학 1 법칙을 소개하고 엔탈피(enthalpy)가 어떻게 탄생하였으며, 엔탈피가 어떻게 에너지의 개념으로 해석이 되고 정량적으로 연산 가능해지는지를 보인다. 이를 기반으로 카르노 사이클을 기반으로 하는 열역학 사이클을 이해한다. 3장에서는 엔트로피(entropy)를 추상적인 고전 개념이 아닌 통계역학적 해석을 통하여 직관적으로 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하고, 엔트로피가 어떻게 손실일(lost work)로 연결되고 랭킨 사이클과 같은 열기관의 효율과 연결되는지를 설명한다. 나아가 엑서지(exergy)를 통하여 가용일의 개념을 소개한다. 4장은 상태방정식을 통하여 이상기체가 아닌 실제 물질의 물성을 어떻게 보다 정확하게 연산이 가능한지를 보인다. 5장은 편차함수(departure function)를 통하여 실제 물질의 엔탈피를 보다 정교하게 연산가능한 방법을 학습한다. 6장에서는 상평형의 기초가 되는 화학적 퍼텐셜(chemical potential)의 개념을 소개하고 이를 기반으로 이상혼합물 및 그 상평형을 연산하는 방법에 대해서 살펴보고, 나아가 현대 분리 공정의 기본이 되는 증류탑의 기본 원리를 학습한다. 7장에서는 반응평형이 깁스 자유 에너지와 어떻게 연계되며 그 결과 평형상수가 어떻게 변화하는지를 살펴본다. 저자인 임영섭 교수는 서울대학교 화학생물공학부 및 전기ㆍ컴퓨터공학 학사를 복수전공하고 서울대학교 화학생물공학부에서 박사학위 수여, MIT 화학공학과에서 박사후 연구원으로 일한 뒤 현재 서울대 조선해양공학과 부교수로 재직 중이다. 석유화학 공정부터 친환경 탈탄소 에너지 공정까지 다양한 공정을 설계, 최적화하는 연구를 해왔으며 이를 선박 및 해양플랫폼에 적용ㆍ확장하는 융합 연구를 수행하고 있다. 추천사: 열역학을 이렇게 쉽게 설명해 주는 책이 있었으면 했던 바로 그런 책. 열역학 개념을 알기 쉽게 설명하여 학생뿐만 아니라 산업현장의 엔지니어들에게도 매우 유용한 도서가 될 것으로 확신합니다. -영남대학교 이문용 교수 학생들의 질문에 답변하는 형식으로 단순한 지식전달을 넘어 합리적, 비판적, 창조적 사고를 훈련시켜 학습자들의 문제 정의와 문제 해결 능력을 배양하는 참신한 열역학 교재입니다. -서울대학교 이윤우 교수

한 줄 소개:

친환경 선박, 탈질소, 탈황, 탈탄소와 같이 새롭게 등장하는 변화를 이해하기 위해서 요구되는 열역학 필수 지식, 엔탈피, 엔트로피, 사이클, 상평형, 혼합물 물성 변화, 반응의 기초 등의 내용을 비전공 학부생 눈높이에 맞춰 쉽게 풀어낸 기초 교과서. 물리적, 화학적 배경지식이 부족하여 어려움을 겪거나 심화 응용 단계에서 답답함을 느끼는 분들을 위해서 학생들이 자주 묻는 질문(FAQ)에 대한 답변을 중심으로 내용이 구성되어 있다.

최근 환경오염과 기후변화를 둘러싼 친환경 이슈는 전세계적인 패러다임 전환을 가져오고 있으며, 그 결과 질소산화물/황산화물 배출저감, LNG(liquified natural gas, 액화천연가스) 사용의 증가, 수소 및 암모니아와 같은 대체연료의 활용 등 다양한 분야에서 다양한 변화를 야기하고 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 BOG 재액화 시스템, SCR(선택적 촉매환원반응)시스템 등 다양한 공정시스템이 선박에 이미 적용되고 있으며, LNG 추진엔진을 넘어 수소 연료전지나 암모니아 추진엔진과 같이 기존에는 선박과 무관하다고 생각했던 새로운 개념들도 적용 논의가 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 개념들을 이해하기 위해서는 혼합물의 성질 (property), 에너지와 반응에 대한 이해가 필수적이며, 이를 다루는 가장 근간이 되는 학문이 열역학이다.

열역학은 공대의 4대 역학 중 수리적 난이도가 높은 교과목은 아니나, 변화하는 고교 교과과정과 배경지식의 부족으로 인하여 열역학에서 다루는 개념을 받아들이기 어려워하는 학생들이 적지 않다. 이러한 학생들을 위하여 본서는 다음과 같은 접근방식을 취하고 있다. 1) 열역학을 접하는 많은 학생들이 받아들이기 힘들어하는 개념들을 기초적인 수준에서부터 상세하고 친절하게 풀어서 전달하고자 하였다. 2) 요구되는 수학적 배경을 배운 것 혹은 배울 것으로 간주하고 넘어가지 않고, 가능한 한 상세하게 설명하는 과정을 포함하여 체감 난이도를 최대한 낮추고자 하였다. 3) 공학이 실용을 목적으로 하는 근사의 학문임을 받아들일 수 있도록 구체적인 숫자로 답을 얻을 수 있도록 하였다. 4) 융합적 배경을 염두에 두고 열역학을 폭넓게 다루고자 하였다. 5) 서로 다른 번역에서 오는 오해를 피하기 위해서 영문명을 병기하고 통용되는 번역어가 다수인 경우 모두 표기하였다. 나아가 본문에서 다루는 예제 중 수치해석법을 사용하거나 풀이가 복잡한 경우 그 연산 내용과 결과를 정리한 엑셀 예제를 별도 제공하여 학습자들이 수치해법 결과를 보다 이해하기 쉽게 접근할 수 있도록 하였다.

1장에서는 열역학의 기본이 되는 계, 물성, 상태, 공정 및 상(phase)의 개념을 소개하고 있다. 2장에서는 열역학 1 법칙을 소개하고 엔탈피(enthalpy)가 어떻게 탄생하였으며, 엔탈피가 어떻게 에너지의 개념으로 해석이 되고 정량적으로 연산 가능해지는지를 보인다. 이를 기반으로 카르노 사이클을 기반으로 하는 열역학 사이클을 이해한다. 3장에서는 엔트로피(entropy)를 추상적인 고전 개념이 아닌 통계역학적 해석을 통하여 직관적으로 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하고, 엔트로피가 어떻게 손실일(lost work)로 연결되고 랭킨 사이클과 같은 열기관의 효율과 연결되는지를 설명한다. 나아가 엑서지(exergy)를 통하여 가용일의 개념을 소개한다. 4장은 상태방정식을 통하여 이상기체가 아닌 실제 물질의 물성을 어떻게 보다 정확하게 연산이 가능한지를 보인다. 5장은 편차함수(departure function)를 통하여 실제 물질의 엔탈피를 보다 정교하게 연산가능한 방법을 학습한다. 6장에서는 상평형의 기초가 되는 화학적 퍼텐셜(chemical potential)의 개념을 소개하고 이를 기반으로 이상혼합물 및 그 상평형을 연산하는 방법에 대해서 살펴보고, 나아가 현대 분리 공정의 기본이 되는 증류탑의 기본 원리를 학습한다. 7장에서는 반응평형이 깁스 자유 에너지와 어떻게 연계되며 그 결과 평형상수가 어떻게 변화하는지를 살펴본다.

저자인 임영섭 교수는 서울대학교 화학생물공학부 및 전기ㆍ컴퓨터공학 학사를 복수전공하고 서울대학교 화학생물공학부에서 박사학위 수여, MIT 화학공학과에서 박사후 연구원으로 일한 뒤 현재 서울대 조선해양공학과 부교수로 재직 중이다. 석유화학 공정부터 친환경 탈탄소 에너지 공정까지 다양한 공정을 설계, 최적화하는 연구를 해왔으며 이를 선박 및 해양플랫폼에 적용ㆍ확장하는 융합 연구를 수행하고 있다.

추천사:

열역학을 이렇게 쉽게 설명해 주는 책이 있었으면 했던 바로 그런 책. 열역학 개념을 알기 쉽게 설명하여 학생뿐만 아니라 산업현장의 엔지니어들에게도 매우 유용한 도서가 될 것으로 확신합니다. -영남대학교 이문용 교수

학생들의 질문에 답변하는 형식으로 단순한 지식전달을 넘어 합리적, 비판적, 창조적 사고를 훈련시켜 학습자들의 문제 정의와 문제 해결 능력을 배양하는 참신한 열역학 교재입니다. -서울대학교 이윤우 교수

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