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상변화기술이란?
상변화기술은 미항공우주국 NASA에서 시작된 것으로 급격한 온도변화에 따른 우주선의 동체균열을 방지하고, 극심한 온도편차로부터 우주비행사들을 보호하기 위해 연구된 것으로 고체상태와 액체상태 사이의 상변화과정을 통하여 열을 흡수하였다가 온도가 내려가면 열을 방출시키는 기술입니다.

상변화기술은 많은 양의 열에너지를 저장하거나 방출하는 기술로서 우주선, 항공전자장비의 온도조절, 우주복, 태양열저장시스템에 적용되고 있으며 점차 기능성 소비자제품으로 개발되고 있습니다.


상변화는 어떤 물질이 고체에서 액체상태, 액체에서 고체상태, 액체에서 기체, 기체에서 액체상태 등, 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 일종의 물리적 변화 입니다. 이러한 상변화과정에서 모든 물질은 화학적 결합이나 형성 같은 화학적 반응이 아닌 분자의 물리적인 배열이 바뀌게 됩니다.

물을 예로 들자면, 고체상태인 얼음은 액체상태의 물로 녹으면서 상변화과정을 거치는데 이때 얼음은 녹으면서 주위로부터 많은 양의 열에너지를 흡수하여 저장하게되며 주위온도는 낮아지게 됩니다.


물의 상변화 : 액체상태 물 응결 ▷ 잠열에너지 방출 고체상태 얼음

어떤 음료를 차갑게 하기 위해서 0℃ 물을 사용하는 것보다 얼음을 이용하는 것이 훨씬 효과적인 이유는 얼음이 녹으면서 많은 양의 열을 음료로 부터 흡수 할 수 있기 때문 입니다. 그러나 0℃ 물은 용융엔탈피가 없기 때문에 음료를 차갑게하는데 한계가 있습니다.

얼음의 상변화 : 고체상태 얼음 용융 ▷ 열에너지 흡수 액체상태 물

고체상태의 상변화물질에 열을 가하면 용융점, 즉 녹는점에 도달하게 됩니다. 이때 상변화물질은 고체에서 액체로 상이 변하면서 용융엔탈피 (Melting enthalpy)로 알려진 일정한 양의 열을 흡수 하기 시작합니다. 이 물질은 열이 투입 되었음에도 불구하고 일정한 온도로 머물게 됩니다.고체상태의 상변화물질에 열을 가하면 용융점, 즉 녹는점에 도달하게 됩니다. 이때 상변화물질은 고체에서 액체로 상이 변하면서 용융엔탈피 (Melting enthalpy)로 알려진 일정한 양의 열을 흡수 하기 시작합니다. 이 물질은 열이 투입 되었음에도 불구하고 일정한 온도로 머물게 됩니다.

이를 두고 그 물질은 잠열 (숨은열)을 가지고 있다고하며 반대로, 액체에서 고체로 상변화가 일어나는 경우에는 저장한 잠열을 방출하여 일정한 온도를 유지하게 됩니다.


▶ PCM의 잠열곡선

상변화물질의 열용량은 다음과 같이 계산됩니다.


Q = 열용량 (kJ)
m = 물질의 질량 (kg)
Cp = 물질의 비열 (kJ/kg·K)
delta T = 온도변화 (K)
delta h = 용융엔탈피
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