[공기역학] 상태 방정식(Equation of State)과 기체의 비열(Specific Heat)

이전까지 다루었던 지배 방정식 세 개(연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식)에 포함된 변수는

  • 밀도 $\rho$
  • 속도 $u$, $v$, $w$
  • 압력 $p$
  • 온도 $T$
  • 엔탈피 $h$ (또는 내부 에너지 $e$)

로 총 7개입니다. 그런데 방정식 개수는 연속 방정식이 하나, 운동량 방정식이 방향 별로 총 셋, 에너지 방정식 하나 해서 다섯 개밖에 없으므로 방정식 두 개가 더 필요합니다.

상태 방정식

너무 높은 온도나 압력이 아닌 경우에는 공기를 이상 기체(ideal gas)로 가정할 수 있습니다. 즉, 상태 방정식(Equation of State)

\[ p=\rho RT \]

가 추가됩니다. 여기서 기체 상수 $R$은 공기에 대해 약 287 J/kg·K입니다.

정적 비열과 정압 비열

정적 비열(specific heat at constant volume)은 계의 부피를 일정하게 유지시킨 상태에서 계의 온도가 단위 온도만큼 증가했을 때 단위 질량당 내부 에너지 변화로 정의합니다.

\[ c_v=\left(\frac{\partial e}{\partial T}\right)_v \]

정압 비열(specific heat at constant pressure)은 계의 압력을 일정하게 유지시킨 상태에서 계의 온도가 단위 온도만큼 증가했을 때 단위 질량당 엔탈피 변화로 정의합니다.

\[ c_p=\left(\frac{\partial h}{\partial T}\right)_p \]

이상 기체의 경우 내부 에너지는 온도만의 함수입니다(증명은 통계역학에서…). 따라서

\[ \begin{gather}
c_v=\frac{\mathrm{d}e}{\mathrm{d}T} \\
\mathrm{d}e=c_v\mathrm{d}T
\end{gather} \]

또한 엔탈피의 정의에서

\[ h=e+\frac{p}{\rho}=e+RT \]

이고 $R$은 상수이므로 $h$ 또한 온도만의 함수이기 때문에

\[ \mathrm{d}h=c_p\mathrm{d}T \]

가 됩니다. 특히 대부분의 경우 기체의 $c_v$와 $c_p$는 일정하기 때문에(열량적 완전 기체(calorically perfect gas)라고 합니다)

\[ \begin{align}
e&=c_vT \\
h&=c_pT
\end{align} \]

이 식이 제일 마지막 지배 방정식이 됩니다.

정적 비열과 정압 비열의 관계, 비열비

엔탈피의 정의를 미분형으로 고치면

\[ \begin{gather}
\mathrm{d}h=\mathrm{d}e+R\mathrm{d}T \\
c_p\mathrm{d}T=c_v\mathrm{d}T+R\mathrm{d}T \\
\therefore \ c_p-c_v=R
\end{gather} \]

즉, 정압 비열은 정적 비열보다 정확히 기체 상수만큼 큽니다. 그리고 비열비(ratio of specific heat)를

\[ \gamma=\frac{c_p}{c_v} \]

로 정의하면

\[ \begin{gather}
\gamma=\frac{c_v+R}{c_v}=1+\frac{R}{c_v} \\
\therefore \ c_v=\frac{R}{\gamma-1}, \ c_p=c_v+R=\frac{\gamma R}{\gamma-1}
\end{gather} \]