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엔진의 종류와 작동 원리

엔진은 크게 내연기관과 외연기관으로 나눌 수 있습니다.
자동차에서 흔히 볼 수 있는 왕복 엔진은 대표적인 내연기관이며, 로켓과 제트 엔진 역시 연료를 엔진 내부에서 연소시킨다는 점에서 내연기관의 일종으로 분류됩니다.
내연기관은 연료 연소 시 발생하는 열을 직접 기계적 에너지로 변환하는 방식입니다.
예를 들어, 가솔린 엔진은 4행정 사이클(흡기, 압축, 점화, 배기)을 통해 작동하며, 전기 점화원을 사용하여 연료를 연소시킵니다.
각 단계에서 연료와 공기의 혼합물이 실린더로 유입되고, 압축된 후 점화되어 폭발하며, 이 폭발력을 이용해 피스톤을 움직여 동력을 얻습니다.
마지막으로 연소된 가스는 배기 과정을 통해 외부로 배출됩니다.

내연기관 외에도 다양한 형태의 엔진이 존재합니다.
전기 모터는 전기 에너지를 기계 운동으로 변환하며, 공압 모터는 압축 공기를 이용하여 작동합니다.
태엽 장난감에 사용되는 시계 모터는 탄성 에너지를 활용합니다.
더욱 미시적인 수준에서는, 생물학적 시스템에서 근육의 미오신과 같은 분자 모터가 화학 에너지를 이용하여 힘을 생성하고 운동을 만들어내기도 합니다.

제트 엔진의 특징

제트 엔진은 연소열을 이용해 고속의 배기가스를 생성하는 반응 엔진의 한 형태입니다.
항공기의 전기 및 유압 시스템에 동력을 공급하는 역학적 에너지는 터빈 샤프트에서 얻을 수 있지만, 비행을 위한 주요 추력은 고속으로 배출되는 배기가스에 의해 생성됩니다.
이는 뉴턴의 제3 운동 법칙, 즉 작용-반작용의 법칙에 따라 작동하는 원리입니다.

제트 엔진은 연료를 연소시키지만, 일반적으로 공기를 산화제로 사용하기 때문에 공기 호흡 엔진으로 간주됩니다.
그러나 대기권 밖에서 작동해야 하는 로켓 엔진과 같은 경우에는 자체적으로 산화제를 탑재해야 합니다.
화학 연료 열기관은 모두 배기가스를 배출하는데, 가장 이상적인 엔진은 물만 배출하는 엔진입니다.
순수한 수소와 순수한 산소를 연소하는 열기관만이 엄격한 의미에서 ‘제로 배출’을 달성할 수 있으며, 이는 일종의 로켓 엔진이라고 할 수 있습니다.
수소를 공기와 함께 연소시키면 질소 산화물(NOx)이 소량 배출될 수 있으며, 휘발유나 알코올과 같은 탄화수소를 연료로 사용할 경우 온실 기체인 이산화탄소(CO2)가 배출됩니다.

연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 물을 생성하지만, 이는 전기화학적 과정으로 작동하며 열기관과는 다른 방식입니다.