1. 서론
전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)을 이용하여 화학반응이 있는 기체의 유동을 해석하는 연구자나 엔지니어가 여기저기 필요한 정보를 찾아야 하는 부분에 대해, 그 동안의 경험을 나누고자 시작한 글이 처음 계획보다 길어지게 되어 지난번 글에 이어 두 번째 글을 쓰게 되었다.
이렇게 된 것은, 이 글을 쓰는 본인이 경험이 아주 많거나 특별히 깊이 알고 있어서가 아니라, 화학반응을 포함한 기체 유동을 해석하는 것 자체가 고려해야 할 부분이 많기 때문이다.
이번 두 번째 글에서는 주로, 화학반응이 CFD 프로그램에서 어떻게 다루어 지는지에 대해 이해하는데 도움이 되는 내용을 서술하고자 한다. 이를 위해 먼저, 화학반응에 대한 프로그램을 이해하기 위해 필요한 기상 반응의 반응속도론에 대해서 설명한다. 그리고 이어서 온도의 영향을 나타내는 Arrhenius 식과 표면반응에 대해 설명하였다.
이러한 내용은 화학공학을 전공한 사람에게는 익숙한 내용일 수도 있겠지만, 저자의 경험상 기계공학이나 전기, 전자공학을 전공하고 CFD 해석을 하는 엔지니어에게는 익숙하지 않을 것이란 생각에서 여기에서 정리하였다.
2. 반응속도론
2-1. 화학종의 질량 평형 (질량 보존)
총 에너지와 마찬가지로, 총 질량은 보존된다. 열전달에 대한 방정식을 얻기 위해 열에너지의 균형 또는 보존을 생각하며, 서로 다른 형태의 에너지가 열에너지로 변환할 수 있다. 이와 마찬가지로 화학 반응을 통해 한 종의 질량이 다른 종으로 변환될 수 있으며 그 역도 가능하다.
에너지 보존에 대한 것과 마찬가지로 그림 1에 표시된 임의의 검사체적(control volume) 내의 어떤 종의 질량 보존을 고려해보자. 어떤 종 i의 질량 보존에 대한 식은 아래와 같이 쓸 수 있다. 저장되는 양의 증가는 그 종의 농도의 증가를 나타낸다.
어떤 종이 생성되는 것은 화학 반응 공정이나 생물학적 반응 공정에 이용될 수 있는데, 생성된다는 것은 다른 종에서부터 변형된다는 것에 주의할 필요가 있다.
그림 1. 임의의 제어체적에 대한 질량 보존
2-2. 반응속도론
화학적 변화가 있는 시스템에서는 한 위치의 질량 농도가 확산이나 대류와 관계없이 화학 반응에 의해서도 변할 수 있다. 한 화학종이 다른 종으로 전환되는 속도(rate)나 기구(mechanism)에 대한 연구 분야를 chemical kinetics라고 한다. 화학반응 기구란 그 총체적인 결과로서 우리가 관찰할 수 있는 생성물이 형성되는, 일련의 개별 반응 사건을 말한다.
이 총괄 반응에 대해 우리가 관찰할 수 있는 반응속도를 정량적으로 나타내기 위해서 반응의 상세한 메커니즘을 항상 알 필요가 있는 것은 아니다. 각 고유한 반응속도(reaction rate)에 대한 만족스러운 정도의 방정식이면 충분하다.
열역학은 평형 상태에 대해서만 다루기 때문에 반응이 일어날 수 있는 최대값에 대해서만 알려준다. 평형 상태에서 일어나는 변환의 최대 가능 값은 실제 반응의 정도를 평가하기 위한 기준으로서 중요하다. 실용적 측면에서는 우리는 반응이 진행되는 데 필요한 시간을 알 필요가 있다. 화학 반응속도(반응율)은 다음과 같이 정의된다.
열역학은 평형 상태에 대해서만 다루기 때문에 반응이 일어날 수 있는 최대값에 대해서만 알려준다. 평형 상태에서 일어나는 변환의 최대 가능 값은 실제 반응의 정도를 평가하기 위한 기준으로서 중요하다. 실용적 측면에서는 우리는 반응이 진행되는 데 필요한 시간을 알 필요가 있다. 화학 반응속도(반응율)은 다음과 같이 정의된다.
😥 미리 보기는 여기까지!
내용을 이어서 보고 싶다면,
아래 정보를 입력해 주세요.
