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 상변화물질 I PCM |
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상변화물질은 어떤 물질이 고체에서 액체상태, 액체에서 고체상태, 액체에서 기체, 기체에서 액체상태 등, 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 일종의 물리적 변화과정을 통하여 열을 축적하거나 저장한 열을 방출하는 물질입니다. 상변화과정에서 모든 물질은 화학적 결합이나 형성 같은 화학적 반응이 아닌 분자의 물리적인 배열이 바뀌게 됩니다.
외부 온도가 상승하면 상변화물질은 고유의 용융점에 도달하게 됩니다. 이때 이 물질은 고체상태에서 액체상태로 상이 변하면서 용융엔탈피로 알려진 일정한 양의 열을 흡수 합니다. 이 물질은 열이 투입 되었음에도 불구하고 일정한 온도로 머물게 됩니다.
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반대로, 외부의 온도가 상변화물질 용융점이하로 내려가면 상변화물질은 액체상태에서 고체상태로 상이 변하면서 저장한 열을 방출합니다.
상변화물질은 크게 유기물질과 무기물질로 분류할 수 있으며 4천여종이 상변화물질로 분류되고 있지만 실질적으로 적용가능한 물질은 200여종이 됩니다. 유기물질의 예로는 탄소와 수소로 이루어진 탄화수소계열의 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 등의 물질이 있으며, 무기물질의 예로는 6개의 물분자가 결합된 수화물형태의 염화칼슘 등이 있습니다.
| ■ 상변화물질의 분류 | |||
| ■ 상변화물질별 특성 | |||
| ■ 상변화물질의 적용분야 | |||
| ■ PCM 용어설명 | |||
Heat storage capacity 축열용량 |
Phase Change Material은 상변화과정을 통하여 발생되는 잠열을 이용하는 장점이 있습니다. 현열재는 축열능력이 아주 낮습니다. PCM인 잠열파라핀의 비열량는 약 2.1 kJ/(kg · K) 입니다. 용융엔탈피는 120 - 160 kJ/kg로서 유기화합물 중에는 아주 높은 편에 속합니다. 이러한 비열량과 용융엔탈피는 부피나 질량비로 비교하였을 때, 물보다 4-5배 이상의 축열능력을 나타내고 있습니다. |
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Heat conductivity 열전도도 |
예를 들자면, Phase Change Material을 이용한 잠열저장시스템으로 열에너지가 효율적으로 입출입되기 위해서는 열전도계수가 높아야 합니다. 음식물운반 같은 적용분야에서는 해당되지 않습니다. 거의 모든 유기물 처럼 PCM 잠열파라핀은 열전도도가 낮지만 축열제의 표면적을 넓게하는방법으로 열전도도를 증가시킬 수 있습니다. |
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Volume expansion 부피팽창 |
모든 물질은 고체에서 액체로 상변화가 진행되면서 밀도가 변하고 따라서 부피가 변화 됩니다. 이것은 적용목적에 따라 문제가 될 수 있습니다. 결과적으로 밀폐용기에 넣어 사용하는 경우에는 과도한 압력발생이 되지 않도록 순수 PCM이 가진 체적변화율을 고려하여야 합니다. |
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Supercooling 과냉각 |
용융점이 어는점보다 높은 경우에는 과냉각현상이 나타납니다. 이는 물이 0℃ 이하에서 얼지 않고 액체상태로 존재하는 경우와 같습니다. |
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Stability 물리적 안정성 |
Phase Change Material는 열에너지를 저장하고 방출하는 사이클을 수 없이 반복하게 됩니다. 제품의 수명동안 축열용량이나 용융, 응결온도 등 열역학적인 특성이 변하지않는 PCM이 이상적입니다. 잠열파라핀계열은 다른 잠열재와는 달리 수명이 길고 안정적인 상변화사이클을 보여주고 있습니다. 이것은 축열과정에서 같은 분자간에, 열전달매체 간에, 지지물질 상호간에 아무런 화학반응을 일으키지 않기 때문입니다. 용융과 응결은 순수 물리적인 과정으로 시스템의 수명동안 축열능이 그대로 유지 됩니다. |
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Overheating 과열현상 |
잠열이나 축열시스템 내에서 온도가 한도 이상으로 상승하게 되면 PCM이 과열될 수 있습니다. 짧은 시간동안에는 시스템 내에서 현열이 축적되게 됩니다. 과열현상이 오랜동안 지속되면 PCM은 부정적인 효과를 나타낼 수 있습니다. |
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Corrosion 부식 |
Phase Change Material의 또다른 중요한 점은 다름 물질과 반응하지 않아야 합니다. 축열저장조 내에서 부식되거나 마이너스효과를 나타내서도 안됩니다. PCM 잠열파라핀은 거의 모든 물질에 대하여 화학적으로 반응하지 않습니다. 파라핀이란 용어는 라틴어 "parum affinis"에서 유래되었으며 화학적으로 비활성이라는 뜻 입니다. 실제로 파라핀은 자동차산업에서 부식방지물질로 이용되고 있습니다. |
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Ecology 환경 |
요즈음 고객들은 제품의 환경문제를 중요한 요소로 인식하고 있습니다. Phase Change Material인 잠열파라핀은 환경친화적이며 식물이나 동물, 미생물에 대하여 영향을 미치지 않습니다. 물에 대하여 비오염성물질로 분류되고 있으며 100% 재활용이 가능합니다. 또한 무독성이며 건강에 아무런 해를 끼치지 않습니다. |
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| ■ 열역학용어설명 | |||||
Law of Conservation of Energy 에너지보존의 법칙 |
"열역학 제1법칙" 이라고 하는 에너지보존의 법칙은 우주내의 총에너지가 일정하다는 것을 의미합니다. 어떤 물체의 위치에너지가 운동에너지나 빛에너지 또는 다른 형태의 에너지로 바뀔 수 있는 것처럼 다른 물체에서 에너지를 얻을 수 있으나 에너지를 창조하거나 파괴하지는 못합니다. 이 법칙은 질량이 에너지로 전환되는 것을 인정함으로서 아인슈타인의 상대성원리를 구체화시킨 새로운 법칙으로 대치 되었습니다. 화학반응 중 발열과정이 일어나는 동안에 분자의 위치에너지 감소는 분자의 위치에너지 증가로 에너지 균형이 이루어지는 법칙입니다. |
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Temperature 온도 |
물체를 만졌을 때 뜨겁고 차가운 정도를 나타내는 것으로 열역학에서는 분자의 평균운동에너지라고 정의합니다. 온도를 나타내는 단위는 섭씨온도(Celsius scale), 화씨온도(Fahrenheit scale), 절대온도(Kelvin scale) 등이 있습니다. |
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Celsius Temperature Scale 섭씨온도 |
일반적으로 흔히 쓰이는 섭씨온도는 1기압에서 물의 어는점을 0℃로, 끓는점을 100℃로 하여 그 사이를 100등분한 온도이며, 기호로는 ℃ 를 사용하고 있습니다. 섭씨온도는 스웨덴의 천문학자인 셀시우스 (Anders Celsius, 1701- 1744) 이름을 따라 쓰이게 되었으며, 섭씨(攝氏)는 중국에서 셀시우스를 한자로 攝爾修로 표기한데에서 유래되었습니다. |
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Fahrenheit Temperature Scale 화씨온도 |
1기압의 대기에서 물의 어는점(0℃)을 32℉, 끓는점(100℃)을 212℉로 정하여 그 사이를 180 등분한 온도이며, 기호로는 ℉를 사용하고 있습니다. 화씨온도는 미국이나 영국에서 주로 사용하는 온도단위로 1724년 독일의 파렌하이트 (Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686-1736)가 최초로 사용하기 시작한 온도입니다. 화씨(華氏)는 파렌하이트의 중국식 표기인 華倫海特에서 유래되었습니다. 화씨온도 [℉] = [섭씨온도 ℃] x 1.8 + 32 |
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Kelvin Temperature Scale Absolute Temperature Scale 절대온도 |
켈빈온도(표시단위: K)는 물질이 열에너지를 전혀 가질 수 없는 최저온도를 O도(절대영도)로 하여 만들어진 온도입니다. 절대영도에서는 물질의 분자운동이 정지되며, 양자역학적 최소운동만이 존재합니다. 켈빈온도는 과학에서 기본온도단위로 사용하고 있으며, 영국의 물리학자 켈빈 (William Thomson, 1st Baron Kelvin, 1824 - 1907)의 이름을 따라 K라고 표시합니다. 켈빈온도 [K] = [섭씨온도 ℃] + 273.15 |
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Heat 열 |
열은 열전도, 열대류, 열복사를 통하여 전달되는 원자나 분자운동과 관련된 에너지의 한 형태입니다. 열은 일에너지 혹은 일에너지에서 열에너지로 변환될 수 있습니다. 열에너지의 단위는 Joule, ft·lb, kWh, cal 등 일의 단위로 표현합니다. 열을 정량적으로 정의하기 위해서 열량 (Quantity of Heat)이라는 물리량을 사용합니다. 열량의 단위로는 일반적으로 칼로리(calorie, 기호 cal)와 에너지의 공통단위인 줄(joule, 기호 J)로 표시하며, 1cal는 물 1g을 1℃ 올리는 데 필요한 열량이고 1cal = 4.18J 입니다. |
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Heat Capacity 열용량 |
물질 1 g을 1 ℃ 올리는데 필요한 열에너지입니다. J/g · ℃ |
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Enthalpy 엔탈피 |
"H" 기호인 엔탈피는 "함유하고있다"라는 독일어 "Enthalten"으로부터 유래된 용어로서 (때로는 그리스어인 "Enthalpos"에서 유래되었다고도함) 화학이나 물리학에서 열함량을 나타내고 있습니다. 어떤 계에서 총엔탈피를 직접산출할 수 없기 때문에 반응전 반응물과 생성물의 엔탈피변화량을 산출하여 상태에너지량을 결정하게 됩니다. ΔH = H (final) - H (initial)
예1) 발열반응 : 수소원자로부터 수소분자의 형성 (공유결합) H· + H· → H-H +435 kJ/mole ΔH = -435 kJ/mole 수소분자형성시 435 kJ/mole의 열을 발생하여 주위에 주었으므로 생성된 H2 분자자체는 그 만큼의 에너지가 감소. 따라서 엔탈피값은 음수가 됨. 예2) 흡열반응 : 수소분자로부터 수소원자로 분해 (가역반응) H-H + 435 kJ → H· + H· ΔH = -435 kJ/mole 수소분자의 공유결합을 해체하기 위하여 435 kJ/kg의 열을 가하여 2 몰의 수소원자로 분해. 이 때 수소원자자체는 그 만큼의 에너지를 함유하게 되므로 엔탈피값은 양수가 됨. |
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Molar Enthalpy of Fusion 용융몰 엔탈 |
용융점이란 고체와 액체상태가 평형을 이루는 온도로서 고체가 단열계 내에 있을 때는 용융점에서도 녹지 않으며 액체를 고체화시키지도 않습니다. Gibbs의 자유에너지 개념을 도입하면 용융평형은 용융에 의한 자유에너지 변화 (ΔG melt)가 0일 때 발생합니다. ΔG melt = ΔH melt - TΔS melt = 0 ΔS melt : 고체가 녹아서 액체로 될 때의 엔트로피증가 ΔH melt : 융해열 |
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Calorimetry 열량측정 |
열역학의 기본 측정 중의 하나는 화학반응이 계 내에서 일어날 때 계가 얼마나 많은 열을 얻었는지 또는 방출하였는지를 측정하는 것 입니다. 이러한 열변화의 측정을 열량측정법이라고 하며, 측정장치를 열량계(Calorimeter)라고 합니다. 일반적으로 상변화물질은 Differential Scanning Calorimetry 방법으로 열량을 측정합니다. |
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Differential Scanning Calorimetry 시차주사열량법 |
DSC는 가열 또는 냉각 동안 물질이 흡수 또는 방출하는 열((dΔQ/dt)을 측정하여 물질의 물리적 상태변화시 수반되는 열량을 산출하는 열량측정방법입니다. |
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