[2023학년도 수능특강 독서] (과학 기술 5) '스털링 엔진'-지문 해설, 대비 변형 문제!!

 

 

 

※ 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

 

19세기 초에 증기 기관은 불안정하고 위험했으며 증기 기관의 구동에 필수적인 보일러의 폭발에 의한 사고가 많이 일어났다. 이에 스코틀랜드의 목사였던 스털링은 증기 기관을 대체하기 위해 새로운 형태의 엔진 제작에 심혈을 기울였으며 1818년 당시로는 획기적인 스털링 엔진이라는, 보일러의 사용이 필요치 않은 외연 열기관을 개발하였다. 열기관이란 열을 일로 변환시켜 동력을 얻는 장치를 일컫는다. 열기관에는 가솔린 기관, 디젤 기관 등과 같이 실린더 내부에서 열을 발생시켜 동력을 얻는 내연 열기관과 증기 기관, 스털링 엔진처럼 엔진 밖에서 열을 공급하여 동력을 얻는 외연 열기관이 있다.

스털링 엔진은 다음과 같은 원리로 작동한다. 실린더와 피스톤으로 이루어진 공간 내에 수소나 헬륨 등의 작동 기체를 가두고, 외부에서 이를 가열하거나 냉각하면 ㉠작동 기체의 팽창과 수축에 따라 피스톤이 움직여 동력이 발생하게 된다. 열을 가해 팽창한 작동 기체로 바퀴를 돌리는 일을 하고, 일을 한 작동 기체는 처음 상태로 돌아오면서 남은 열을 방출한다. 이 순환 과정에서는 기관이 공급받은 열로 일을 하고, 남은 열은 방출하여 다시 처음 상태로 돌아오기 때문에 한 순환 과정이 끝난 후 내부 에너지 변화는 없다. 스털링 엔진은 형태에 따라 알파·베타·감마·델타형으로 나눌 수 있는데, <그림 1>은 두 개의 실린더와 파워 피스톤, 디스플레이서 피스톤으로 이루어진 알파형 스털링 엔진이다. 순환 과정동안 열의 공급 및 방출은 각각 고열원에서 디스플레이서 피스톤 쪽 실린더 내부의 작동 기체로, 파워 피스톤 쪽 실린더에서 저열원 쪽으로 일어난다. 가령 화력 발전소 폐열을 이용하여 스털링 엔진을 작동하고 남은 열이 호수의 물로 빠져나간다면 발전소의 폐열이 고열원이며 호수의 물이 저열원이다.

- 이하 생략 -

 

 

 

[해설]

■ 스털링 엔진

 

{해제}

이 글은 19세기 초 개발된 외연 기관인 스털링 엔진에 대해서 소개하고 있다. 스털링 엔진은 열을 가해 팽창한 작동 기체를 이용하여 일을 하는 기관인데 고열원에서 열을 받아 일을 하고 나머지 열을 저열원으로 방출한다. 스털링 엔진은 가열, 팽창, 냉각, 압축의 네 과정이 한 사이클을 이루어 작동한다. 스털링 엔진의 열효율은 엔진 내부의 압력과 부피의 상관 관계를 도식화하여 파악하면 편리하다. 스털링 엔진은 다양한 열원을 이용하여 작동이 가능하며 소음이 없다는 장점도 가지고 있다.

 

{주제}

스털링 엔진의 작동 원리

 

 

 

 

 

 

 

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