열전달 방법, 전도, 대류, 복사

열전달이란 온도 차이에 의해서, 온도 차이를 추진력으로 일어나는 에너지의 이동을 말한다. 열전달 방법에는 세 가지가 존재한다. 바로 전도, 대류 그리고 복사이다.

 

 

열전달 방법

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열전달의 세 가지 방법 전도와 대류, 복사는 각각 전달의 특징과 필요로 하는 요소, 전달되는 정도가 매우 상이하다. 각각의 특성과 원리에 대해서 자세히 알아보도록 하자.

 

전도 (Conduction)

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전도는 확산(Diffusion)의 일부이다. 우리가 흔히 아는 물에 잉크가 떨어져서 잉크가 확산되는 것은 물질 전달(Mass diffusion)이다. 오늘 우리가 배울 온도에 의한 전도현상은 열전달이다.

 

확산의 원리는 온도에 의해 일어나는 입자들의 무작위 유동(Random Motion)이 충돌(Collision)을 유발하여 그 충돌에 의해서 무언가가 전달되는 것이다. 충돌을 통해 열이 전달되면 열전달, 모멘텀이 전달되면 모멘텀 확산(Momentum diffusion)이다.

 

멈춰있는 공기를 통해서 열이 확산되는 원리는 입자의 충돌이다. 진공(Vacum)상태에서는 매질(Material)이 없기 때문에 전도가 일어나지 않는다. 즉 매질이 필수이다.

 

매질이 금속(Metal)일 때 전도가 잘 되는 이유는 자유 전자가 다수 존재하기 때문이다. 반대로 비금속(Non-Metal)의 경우 자유 전자가 적어서 전도가 잘 일어나지 않는다.

 

따라서 비금속의 경우는 Lattice Wave 혹은 Phonon Wave에 의해서 전도가 일어나는데 이는 격자구조, 흔히 생각하는 오 목판 같은 구조로 입자가 배열되어 한 입자의 진동이 주변으로 퍼져나가는 현상에 의해서 열이 전달되는 것이다.

 

 

Kinetic Theory

흔히 아는 기체의 성질들인 압력, 온도, 부피 등은 사실 그 분자의 구조나 운동(molecualr composition and motion)에 의해서 결정된 것이다.

 

사실, 분자구조로 보면 열전달은 분자의 운동에너지가 전달되는 것과 같다. 이는 볼츠만상수와 연관되어 있다.

 

 

대류 (Convection)

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공기가 흐르지 않을 때, 즉 기체 유동이 없을 때 기체를 통해 열이 전달된다면 그건 전도이다. 하지만 액체나 기체에서 유동(Bulk motion)이 일어난다면 대류가 일어난다.

 

직관적으로 생각했을 때, 우리가 뜨거운 차나 음료를 마시기전에 바람을 부는 행위가 대류를 유발하는 행위이다. 즉, 대류가 전도보다 열전달이 잘된다.

 

대류 역시 매질이 필수이다.

 

 

복사 (Radiation)

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어떠한 물질이 특정 온도 T를 가질 때, 해당 물질의 입자는 온도 T만큼의 에너지로 원자핵, 전자 등이 진동하고 있다.

 

이 진동을 통해서 외부로 항상 전자기파(Electro magnetic wave)를 항상 방출 중인데, 바로 이 전자기파를 통해서 열이 전달되는 현상을 복사라고 한다.

 

복사는 매질을 필요로 하지않는다.

 

태양과 지구 사이 진공의 우주환경에서 열이 전달되는 원리가 바로 복사이다. 복사는 열이 전달되는 경로에 노출되는지 안되는지의 여부가 큰 차이를 유발한다.

 

태양을 보고 있는 지구면은 따뜻한 낮, 태양을 등지고 있는 지구 반대면이 추운 밤이 되는 것을 생각해보면 이해가 빠를 것이다.