플라즈마 열역학: 기초 및 응용 > 공학

이 책은 수천∼수만 도의 높은 온도에서 발생하는 원자와 기체 분자의 화학적 변화, 즉 플라즈마 상태에서의 화학반응을 열역학적 관점에서 소개한다.

이 책의 저자들은 한국기계연구원에서 지난 30년간 산업용 플라즈마 발생과 이를 활용한 화학반응 공정기술을 연구하였다. 이에 따라 이 책에서는 오랜 기간 저자들이 직접 얻은 플라즈마 관련 여러 자료와 실험 결과들을 제시할 수 있었고, 이들 플라즈마 지식이 우리가 지금껏 알고 있던 열역학과 어떻게 연계되어 있는지를 소개할 수 있었다.

목차

머리말 _ 3

제1장 원자와 분자의 에너지 ……… 9

1-1. 빛에 대한 이해: 양자역학의 출발점 _ 11

1-2. 원자와 분자의 지문: 원자 및 분자의 스펙트럼 _ 14

원자와 분자의 가짓수 _ 14

원자와 분자의 지문: 빛의 스펙트럼 _ 15

원자와 분자의 내부 에너지 _ 17

병진, 회전 및 진동 에너지 및 전자전이 에너지의 상대적 크기 비교 _ 19

분자의 스펙트럼 _ 22

1-3. 원자와 분자의 내부 에너지 변화가 일으키는 자연 현상(빛의 방출, 열 방출, 화학반응, 이온화) _ 25

복사 감쇠 및 비복사 감쇠, radiative relaxation과 non-radiative relaxation _ 26

화학반응 및 이온화 _ 29

LIF, Laser Induced Fluorescence _ 33

1-4. 빛의 종류와 에너지: 뜨거운 적외선보다 더 높은 에너지를 가진 자외선 _ 35

1-5. 빛과 전자기파: 다른 듯 같은 존재 _ 41

빛의 투과 _ 42

고체에 대한 전자기파의 투과력(1): 마이크로파 _ 45

고체에 대한 전자기파의 투과력(2): X-선 _ 46

1-6. 흑체 복사: 고전역학의 실패 그리고 양자역학의 태동 _ 47

Rayleigh-Jeans의 빛의 세기에 대한 수식 유도 및 자외선 파탄(UV catastrophe) _ 52

Rayleigh-Jeans가 유도한 과정 _ 56

Planck가 유도한 과정 _ 58

1-7. 보이는 빛과 보이지 않는 빛 _ 60

촛불: 보이는 빛과 보이지 않는 빛 _ 60

가스 불: 푸른 불 _ 62

숯불구이가 왜 맛이 좋다고 할까? _ 63

1-8. 조명의 역사 _ 65

제2장 물질의 에너지 ……… 71

2-1. 네 가지 물질 상태: 고체, 액체, 기체 그리고 플라즈마 _ 73

고체, 액체, 기체 및 플라즈마 상태 _ 74

2-2. 기체 물리: 미시적 관점과 거시적 관점 _ 80

미시적 관점과 거시적 관점 _ 83

통계 열역학의 출발점, 분포와 확률 _ 84

정규 분포 _ 86

Maxwell-Boltzmann Speed Distribution _ 89

2-3. 미시적 관점에서 바라본 압력과 열 및 물질 전달 _ 95

열전도 계수, 점성계수, 확산계수 _ 99

2-4. 미시적 관점에서 바라본 계의 내부 에너지 _ 103

거시적 관점에서의 내부 에너지 및 엔탈피 _ 103

미시적 관점에서의 내부 에너지: 저온 조건의 내부 에너지 _ 109

2원자 분자(diatomic molecule)의 온도에 따른 비열 _ 111

고온 조건에서의 비열: 분자의 해리 및 이온화 _ 112

고온 조건에서의 열전도 계수 _ 115

2-5. 볼츠만 분배법칙 _ 119

왜 물리·화학에서는 자꾸만 자연 지수 함수 ex가 등장하는가? _ 125

Boltzmann distribution rule, 볼츠만 분배법칙 _ 126

분배함수: 통계 열역학과 고전 열역학의 연결 고리 _ 132

열역학적 상태함수 _ 135

Boltzmann 분배 법칙과 다른 분배 법칙 _ 136

2-6. 엔트로피: 우주의 시작과 끝을 암시하는 법칙 _ 137

Clausius의 통찰력으로 탄생한 엔트로피 _ 147

엔트로피가 암시하는 우주의 미래 _ 156

2-7. Gibbs 자유 에너지: 자연의 변화를 예측하는 열역학 함수 _ 158

제3장 플라즈마 화학반응 공정 ……… 169

3-1. 열이 주도하는 화학반응: 평형 상태에서의 화학반응 _ 171

물리적 현상으로 바라본 기체 상태의 열화학반응 _ 171

활성화 에너지에 대한 이해(1): 촉매를 활용한 활성화 에너지의 감소 _ 177

활성화 에너지에 대한 이해(2): 화학반응의 종류에 따라 달라지는 활성화 에너지 _ 179

현실적인 열화학반응의 경로 _ 180

저온 화학반응: 점화 _ 184

3-2. 열과 무관하게 일어나는 화학반응: 비평형 상태의 화학반응 _ 187

광화학 반응 예 1: 성층권의 오존 생성과 소멸 _ 189

광화학 반응 예 2: 지표면에서의 오존 생성 및 광 스모그 _ 190

전자-분자 간의 화학반응 및 화학반응 속도 _ 192

플라즈마 화학반응의 특성(1): 다양한 반응 경로 _ 197

플라즈마 화학반응의 특성(2): 반응 효율 및 속도 _ 198

플라즈마 화학반응의 특성(3): 온도와 무관한 반응 _ 201

플라즈마 화학반응의 특성(4): 공간적 선택성 _ 202

3-3. 레이저 _ 203

spontaneous emission과 stimulated emission _ 207

빛의 증폭 조건: Population Inversion _ 209

3-4. 플라즈마의 특성(1): 비평형 및 평형 플라즈마 _ 213

비평형 및 평형 플라즈마 _ 215

평형 및 비평형 플라즈마의 기준, E/n _ 217

3-5. 플라즈마의 특성(2): 플라즈마 속의 입자 운동 _ 218

열확산 속도와 드리프트 속도의 상대적인 영향력 비교 _ 221

이상적인 플라즈마 조건: 디바이 차폐 및 준중성 _ 222

3-6. 대기압 비열(비평형) 플라즈마의 발생과 특성 _ 225

대기압 비열 플라즈마 발생 _ 225

대기압 비열 플라즈마의 전자 온도 및 농도 _ 229

3-7. 대기압 아크 플라즈마의 발생과 특성 _ 233

대기압 아크 플라즈마의 발생: arc column의 모양과 구조 _ 234

캐리어 가스의 종류에 따른 아크의 형상 _ 236

arc column의 열 및 물질 수지 _ 238

cathode 전극의 수명 및 냉각 _ 243

cathode 전극 부근에서의 열 및 물질 수지 _ 246

3-8. 플라즈마를 활용한 화학반응 공정 _ 250

플라즈마 화학반응 공정의 활용-일반론 _ 251

플라즈마 종류에 따른 화학반응의 특성-기계연구원 연구 _ 256

3-9. 플라즈마를 활용한 열공학 응용기술 _ 270

비열 플라즈마를 활용한 탄화수소의 흡착 및 탈착 _ 270

플라즈마 버너(1): combustion assisted by plasma _ 272

플라즈마 버너(2): diesel burner assisted by plasma _ 273

연료 개질기를 활용한 Ultra Low NOx 버너 _ 276

찾아보기 _ 279

저자소개

송영훈

송영훈은 1959년 강원도 원주에서 태어났으며, 한양대학교 기계공학과, 한국과학기술원 기계공학과 및 미국 펜실베니아 주립대학교 기계공학과에서 각각 학사, 석사 및 박사학위를 받았다. 그는 1994년도에 박사학위를 마치고 정부 출연연구소인 한국기계연구원에서 근무를 시작하였으며, 이후 30년 간 우리나라에서는 생소한 분야인 플라즈마를 활용한 유해가스 처리, 산업용 플라즈마 발생기술, 플라즈마를 활용한 연료개질(fuel reforming) 등을 연구하였다. 그와 그의 연구팀이 개발한 기술 가운데 플라즈마 버너 기술, 진공 및 대기압 플라즈마를 활용한 반도체 가스처리 기술들은 산업에 성공적으로 이전 및 적용되었으며, 이를 계기로 우리나라에서는 그동안 과학의 영역에만 머물러 있던 플라즈마 기술을 산업기술로 발전시키는 계기가 될 수 있었다.

이대훈

이대훈은 1975년 대구에서 태어났으며, 한국과학기술원에서 학사, 석사 및 박사 학위를 받았다. 그는 박사 학위를 마치고 2004년도에 한국기계연구원 플라즈마 연구팀에 합류하였으며, 이후 줄곧 산업용 플라즈마 분야의 연구 및 기술개발을 수행해 왔다. 그는 플라즈마를 활용한 바이오 및 의료기술, 플라즈마를 활용한 수소 및 암모니아 생성 기술, 플라즈마를 이용한 화학전환 및 기능성 탄소 생성 기술 등 플라즈마 기반의 새로운 연구 분야를 개척하고 있으며, 이 과정에서 백여 편의 학술지 논문 출판과 360건 이상의 국내외 특허 출원을 진행하였다. 이러한 성과를 바탕으로 최근 미국의 글로벌 엔지니어링 기업에 대한 기술이전을 성사시키는 등 기술 사업화를 추진하고 있다. 최근에는 ‘미래에너지사회를 위한 질소자원화 글로벌 TOP전략연구단’ 단장에 선임되어 환경과 에너지 분야의 난제를 해결하고 미래 전략을 수립하는 연구에 집중하고 있다.

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