압력-볼륨 다이어그램

열역학
클래식 카르노 열기관
나뭇가지 고전적인 통계적 케미컬 양자 열역학 평형/비평형
법 제롯 먼저 둘째 세 번째
시스템들 폐쇄형 시스템 절연계통 주 상태 방정식 이상기체 리얼 가스 물질 상태 위상(물질) 평형 제어량 계기 과정 이소바르어 이소차리아어 등온 아디아바틱 등방성 이센탈픽 콰지스타틱 다항성 자유팽창 가역성 불가역성 내재해성 사이클 열기관 열펌프 열효율
시스템 속성 참고: 이탤릭체의 결합 변수 특성 다이어그램 집약적이고 광범위한 속성 공정함수 일 열 국가의 기능 온도 / 엔트로피(소개) 압력/볼륨 화학전위/입자수 증기 품질 감소된 특성
재료 특성 속성 데이터베이스 특정 열 용량 ${\displaystyle c=}$ $T}$ $\displaystyle \partial S}$ ${\디스플레이 스타일 N}$ $\displaystyle \partial T}$ 압축성 ${\displaystyle \cHB =-}$ ${\displaystyle 1}$ $\displaystyle \partial V}$ $(\displaystyle V}$ $\displaystyle \displayp p}$ 열팽창 ${\displaystyle \cHB =}$ ${\displaystyle 1}$ $\displaystyle \partial V}$ $(\displaystyle V}$ $\displaystyle \partial T}$
방정식 카르노의 정리 클로스 정리 근본관계 이상기체법 맥스웰 관계 온사저 호혜 관계 브리그만 방정식 열역학 방정식 표
가능성 자유 에너지 자유 엔트로피 내부 에너지 ${\displaystyle U(S,V)}$ 엔탈피 ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ 헬름홀츠 자유 에너지 $A(T,V)=U-TS}$ 기브스 자유 에너지 $(\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
역사 문화 역사 일반 엔트로피 가스법칙 "주기적 운동" 기계 철학 엔트로피와 시간 엔트로피와 생명 브라운 래칫 맥스웰의 악마 열사 역설 로슈미트의 역설 시너게틱스 이론들 칼로리 이론 Vis viva ("생존력") 열과 기계적 등가 원동력 주요 출판물 "실험적 질문 컨서닝 ... 열" "이종균질 물질의 평형성에 대하여" "불의 모티브 파워에 대한 반향" 타임라인 열역학 열기관 예술 교육 맥스웰의 열역학적 표면 에너지 분산으로서의 엔트로피
과학자들 베르누이 볼츠만 브리지먼 카르노 클라피론 클라우시우스 캐러테오도리 드 돈더 듀헴 깁스 폰 헬름홀츠 줄 루이스 마시외 맥스웰 폰 마이어 네른스트 온사거 플랑크 랭킨 스마톤 스타울 태트 톰프슨 톰슨 판데르 발스 워터스턴
기타 핵 자가 조립 자기 조직화 질서와 무질서
카테고리
v t

압력-볼륨 다이어그램(또는 PV 다이어그램 또는 볼륨-압력 루프)^[1]은 시스템의 부피와 압력의 해당 변화를 설명하는 데 사용된다.열역학, 심혈관계 생리학, 호흡기 생리학 등에 많이 쓰인다.

원래 지표 다이어그램이라고 불리는 PV 다이어그램은 18세기에 증기 엔진의 효율을 이해하기 위한 도구로 개발되었다.

설명

PV 다이어그램은 일부 프로세스 또는 프로세스의 Volume에 대한 압력 P의 변화를 나타낸다.일반적으로 열역학에서는 일련의 과정이 사이클을 형성하므로 사이클이 완료되면 시스템의 상태에 순 변화가 없다. 즉, 기기는 시작 압력과 부피로 되돌아간다.^{[citation needed]}

그림은 이상화된 PV 다이어그램의 특징을 보여준다.번호가 매겨진 일련의 상태(1 ~ 4)를 보여준다.각 상태 사이의 경로는 시스템(또는 둘 다)의 압력이나 체적을 변경하는 일부 프로세스(A ~ D)로 구성된다.

다이어그램의 주요 특징은 순작업은 네 줄로 둘러싸인 영역으로 표현되기 때문에 시스템이 작업으로 소비하거나 받는 에너지의 양을 측정할 수 있다는 것이다.그림에서, 1-2-3 공정은 작업 출력을 생성하지만, 3-4-1의 공정은 시작 위치/상태로 돌아가기 위해 더 작은 에너지 입력을 필요로 하기 때문에, 순 작업은 둘 사이의 차이점이다.이 그림은 모든 선들이 직선으로 되어 있고 모서리가 직각으로 되어 있는 한 매우 이상적이다.실제 장치의 압력 및 부피 변화를 보여주는 도표는 작업 주기를 둘러싸는 더 복잡한 형상을 보여줄 것이다.^{[citation needed]}(섹션 적용, 이하)

역사

당시 지표 다이어그램으로 불리던 PV 다이어그램은 제임스 와트와 그의 직원 존 서던(1758–1815)이 엔진의 효율을 높이기 위해 개발했다.^[2]1796년, 서던은 피스톤과 함께 움직이도록 보드를 고정하여 도표를 생성하는 간단하지만 결정적인 기법을 개발하여 "볼륨" 축을 추적하고, 압력 게이지에 부착된 연필은 피스톤과 직각으로 이동하여 "압력"^{[citation needed]}을 추적했다.

게이지는 와트가 스트로크가 끝날 때쯤 압력이 0으로 떨어졌는지 확인하면서 증기에 의해 수행된 작업을 계산할 수 있도록 하여 모든 유용한 에너지가 추출되도록 했다.총 작업은 "볼륨" 축과 추적선 사이의 영역에서 계산할 수 있었다.후자의 사실은 빠르면 1792년 데이비스 길버트에 의해 실현되었고 조나단 혼블로우러는 다양한 디자인에 대한 특허를 놓고 와트를 상대로 한 소송에 이용되었다.다니엘 베르누이는 또한 일을 계산하는 방법에 대한 통찰력을 가지고 있었다.^{[citation needed]}

와트는 이 도표를 증기 엔진 성능을 획기적으로 향상시키기 위해 사용했으며 오랫동안 그것을 영업 비밀로 유지했다.1822년 <분기별 과학 저널>에 보낸 편지에서 공개되었지만,^[3] 다소 불명확한 상태로 남아 있었다.존 패리 주니어는 1826년 러시아를 방문했을 때, 아마도 와트의 부하들에 의해 사용된 것을 보고 그것을 알게 되었다.

1834년 에밀 클라피론은 카노트 사이클을 설명하고 해명하기 위해 체적 압력의 도표를 사용해 열역학 연구의 중심 위치로 끌어올렸다.^[4]

이후 기기(ilus)는 압력 피스톤이 안에 있는 원통형 배럴을 감싸고 있는 종이를 사용했으며, 무게 또는 스프링 텐션 와이어에 의해 피스톤 크로스헤드에 연결된 배럴의 회전을 사용했다.^{[citation needed]}

1869년 영국의 해양 엔지니어 니콜라스 프록터 버그는 장치를 단계별로 설명하는 지표 다이어그램에 풀북을 썼다.그는 "이공계 젊은 구성원들 중 매우 많은 비율이 지표도를 신비한 생산물로 본다"^[5]는 것을 알아챘다.

적용들

열역학

^[6] 구체적으로, 다이어그램은 증기 엔진에서 피스톤의 움직임 사이클 전체에 걸쳐 실린더 내 증기량과 증기 압력을 기록한다.도표는 수행된 작업의 계산을 가능하게 하므로 엔진에서 발생하는 출력의 측정치를 제공할 수 있다.^[7]

시스템에 의해 수행된 작업을 정확하게 계산하려면 부피와 관련하여 압력의 적분을 계산해야 한다.단순히 사이클로 둘러싸인 영역이기 때문에 흔히 PV 다이어그램을 사용하여 이를 신속하게 계산할 수 있다.^{[citation needed]}

경우에 따라 특정 부피가 볼륨 대신 x축에 표시되며, 이 경우 곡선 아래 영역은 작업 유체의 단위 질량당 작업량(예: J/kg)을 나타낸다.^{[citation needed]}

약이요.

심혈관 생리학에서는 좌심실에 도표를 적용하는 경우가 많으며, 심장 주기의 특정 사건에 매핑할 수 있다.PV 루프 연구는 다양한 상황(마우스 변종의 약물 효과, 질병, 특성화)^{[citation needed]}에서 온전한 심장의 성능을 특성화하기 위해 기초 연구와 임상 전 테스트에 널리 사용된다.

모든 심장 주기에서 일어나는 사건의 순서는 다음과 같다.왼쪽 그림은 실제 실험에서 나온 PV 루프를 보여준다. 글자는 점을 가리킨다.

• 

  마우스 왼쪽 심실의 PV 루프 다이어그램 예

• 

  인간심장

• A는 수축기말점이다. 이것은 수축이 시작되는 지점이다.압력이 증가하기 시작하고, 심방 압력보다 급격히 높아지며, 승모판막이 닫힌다.압력도 대동맥 압력보다 낮기 때문에 대동맥 판막도 닫힌다.
• 세그먼트 AB는 수축 단계다.승모판과 대동맥판막이 모두 닫혀 있기 때문에 부피는 일정하다.이 때문에 이 국면을 이소볼루메틱 수축이라고 한다.
• B 지점에서는 압력이 대동맥 압력보다 높아지며 대동맥 판막이 열리면서 방출이 시작된다.
• BC는 방출 단계, 부피는 감소한다.이 단계가 끝나면 압력이 다시 낮아지고 대동맥 압력 아래로 떨어진다.대동맥 판막이 닫힌다.
• C 지점은 종말-증상 지점이다.
• 세그먼트 CD는 이소볼루멘틱 이완제다.이 단계에서는 압력이 계속 떨어진다.승모판막과 대동맥판막이 다시 닫히므로 부피가 일정하다.
• D 지점에서 압력이 심방 압력 아래로 떨어지고 승모판이 열리면서 심실 충전이 시작된다.
• DA는 디아스토릭 채우기 기간이다.피가 좌심방에서 좌심실로 흐른다.심방 수축은 심실 충전을 완료한다.

볼 수 있듯이 PV 루프는 대략 직사각형 모양을 형성하고 각 루프는 시계 반대 방향으로 형성된다.

매우 유용한 정보는 개별 루프 또는 일련의 루프에 대한 조사와 분석을 통해 도출될 수 있다. 예를 들면 다음과 같다.

• 각 루프의 왼쪽 상단 모서리와 오른쪽 하단 모서리의 수평 거리는 스트로크 볼륨이다^[8].
• 여러 루프의 왼쪽 상단 모서리에 들어가는 선이 수축 또는 비등방성 상태임.^[9]

훨씬 더 정확한 표현을 위해서는 외부 링크를 참조하십시오.

참고 항목

• 온도-엔트로피 다이어그램
• 위거스 다이어그램
• 스트로크 볼륨
• 순환 과정
• 압력-볼륨 루프 실험
• 심장내압-볼륨 루프 분석

참조

참고 문헌 목록

• Cardwell, D. S. L. (1971). From Watt to Clausius: The Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age. Heinemann: London. pp. 79–81. ISBN 0-435-54150-1.
• Miller, D. P. (2011). "The Mysterious Case of James Watt's '"1785" Steam Indicator': Forgery or Folklore in the History of an Instrument?". International Journal for the History of Engineering & Technology. 81: 129–150. doi:10.1179/175812110x12869022260231. S2CID 109538193.
• 페이시, A. J. & Fisher, S. J. (1967) "다니엘 베르누이와 압축공기의 시각적 비바", 영국 과학 3(4), 페이지 388–392, doi:10.1017/S00070874002934
• 영국 교통 위원회 (1957) 철도 기관차 기관차 Enginemen, 런던 : B.T.C, 페이지 81, (편의용 카피퍼블리싱)이언 앨런(1977), ISBN 0-7110-0628-8)

외부 링크

Wikimedia Commons에는 압력 볼륨 다이어그램과 관련된 미디어가 있다.

• Walter, John. "The Engine Indicator. A collectors' guide to mechanical and optical/mechanical designs, 1800 to date". Canadian Museum of Making.
• 다이어그램(cvphysiology.com
• davidson.edu에서 대화형 데모를 참조하십시오.
• Lohff B (1999). "1899: the first mathematical description of the pressure-volume diagram by Otto Frank (1865-1944)". Sudhoffs Arch. 83 (2): 131–51. PMID 10705804.