목차
엔진이란 무엇인가?
다양한 엔진의 종류
내연기관 엔진의 원리
제트 엔진의 작동 방식
엔진의 배출가스 문제
엔진이란 무엇인가?
엔진 또는 원동기는 다양한 형태의 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 기계를 의미합니다.
이러한 에너지원으로는 위치 에너지, 열 에너지, 화학 에너지, 전위 에너지, 핵 에너지 등이 활용될 수 있습니다.
많은 에너지 변환 과정에서 열이 발생하기 때문에, 열을 이용하여 동력을 얻는 열기관은 특히 중요하게 다뤄집니다.
기계적 에너지는 운송 수단뿐만 아니라 절단, 혼합 등 다양한 산업 공정에서도 필수적으로 사용됩니다.
다양한 엔진의 종류
엔진은 그 작동 방식과 에너지원에 따라 다양하게 분류될 수 있습니다.
가장 대표적인 예로는 자동차에 널리 사용되는 가솔린 엔진과 디젤 엔진과 같은 내연기관이 있습니다.
하지만 로켓 엔진이나 제트 엔진 역시 연료를 엔진 내부에서 연소시킨다는 점에서 내연기관의 일종으로 볼 수 있습니다.
이와 반대로, 엔진 외부에서 연료를 연소시키는 외연기관도 존재합니다.
열 엔진 외에도 다양한 동력 전환 장치가 있습니다.
예를 들어, 전동기는 전기 에너지를 기계 운동으로 변환하며, 공압 모터는 압축 공기를 이용합니다.
심지어 태엽 장난감의 시계 모터는 탄성 에너지를 사용하기도 합니다.
생물학적 시스템에서는 근육 내의 분자 모터가 화학 에너지를 힘으로 변환하여 운동을 만들어냅니다.
공기 호흡 엔진은 연료 반응 시 주변 공기를 산화제로 사용하지만, 우주 공간이나 수중과 같이 공기가 없는 환경에서 작동하는 엔진(예: 로켓)은 별도의 산화제를 휴대해야 합니다.
내연기관 엔진의 원리
내연기관은 연료 연소로 발생하는 열을 이용하여 기계적 일을 만들어냅니다.
일반적으로 연료가 연소실에서 타면서 발생하는 고온, 고압의 가스가 팽창하여 피스톤을 밀어내고, 이로 인해 크랭크축이 회전하게 됩니다.
대표적인 내연기관의 작동 방식으로는 4행정 사이클이 있습니다.
이는 흡기(연료 유입), 압축, 점화(연료 연소), 배기(배기 가스 배출)의 네 단계를 거칩니다.
예를 들어, 가솔린 엔진은 전기 점화원을 사용하여 연료를 점화시킵니다.
제트 엔진의 작동 방식
제트 엔진은 연소열을 이용하여 고속의 배기가스를 생성하는 반응 엔진의 한 형태입니다.
제트 엔진은 터빈 샤프트에서 항공기의 전기 및 유압 시스템에 필요한 역학적 에너지를 얻을 수 있지만, 항공기를 앞으로 나아가게 하는 추력은 배출되는 고속 배기가스에 의해 생성됩니다.
이는 뉴턴의 운동 제3법칙, 즉 작용-반작용의 법칙에 따라 작동합니다.
엔진의 배출가스 문제
모든 화학 연료를 사용하는 열기관은 필연적으로 배출가스를 발생시킵니다.
가장 깨끗한 엔진은 물만 배출하는 것으로, 순수한 수소와 순수한 산소를 연소하는 로켓 엔진이 이에 해당합니다.
하지만 공기를 사용하는 엔진의 경우, 대기 중의 질소와 산소가 반응하여 질소산화물(NOx)이 소량 발생할 수 있습니다.
또한, 알코올이나 휘발유와 같은 탄화수소를 연료로 사용할 경우, 온실가스인 이산화탄소(CO2)가 배출됩니다.
연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 물과 전기를 생산하는데, 이 과정에서 질소산화물 배출 없이 물만 생성됩니다.
하지만 이는 열기관이 아닌 전기화학 엔진입니다.
자주 묻는 질문
산업 혁명 시기에 발명된 많은 기계 장치들이 엔진으로 불렸습니다.