열전달의 3요소 - 전도, 대류, 복사

열전달의 정의

열전달은 열이동이라고도 하며 열에너지의 이동현상을 의미한다. 넓은 의미로는 전도, 복사, 대류현상을 모두 가리키지만 좁은 의미로는 유체와 고체의 표면사이에서 전달되는 열을 가리킨다.

 

또한, 같은 유체간의 열전달을 열방사라고 칭하게 됩니다. 하지만 일반적으로 열역학 또는 공학에서 사용하는 용어에서는 열전달을 넓은 의미로 보고 이에 관련된 3요소를 사용하기에 전도, 대류, 복사 3가지 요소에 대해 발표를 하도록 하겠습니다.

 

전도(Heat Conduction)

열에너지가 물질의 이동을 수반하지 않고 고온부에서 저온부로 연속적으로 전달되는 현상. 주로 고체 내부에서 일어난다. 물질의 종류에 따라 전도되는 속도가 크게 다르므로 이를 열전도도로 표시하여 나타낸다. 금속의 한쪽 끝을 가열하면 가열된 부분의 원자들은 에너지를 얻어 진동하게 된다.

 

이런 진동이 차례로 옆의 원자를 진동시켜 열전도가 일어난다. 유전체(절연체)의 경우, 열에 의해 국소적으로 발생한 원자·분자의 진동이 일종의 파동성을 가져서 그것이 표면에서 반사되어 정상파를 만들며, 정상파 전체의 에너지가 균일하게 내부에너지를 높이는 작용원리에 의해 열을 전달한다.

 

구리·철과 같은 도체인 경우에는 열이 매우 빠르게 전달되지만, 황·플라스틱과 같은 절연체인 물질의 경우에는 느리게 전달된다. 또 액체·기체는 고체에 비해 열전도가 매우 느리고 그 일부에 가해진 열을 전체에 확산시키기 어렵다.

 

예시

금속막대의 한쪽 끝을 가열하면 가열되는 부분부터 차례대로 뜨거워질 때라든지, 온도가 다른 물체를 서로 접촉시켜 열 이동이 일어나는 경우가 그런 예이다.

 

대류(Heat Convection)

대류란 열이 유체를 통해 전달되는 현상이다. 자연대류는 유체 내부에 온도의 불균일이 있을 때, 밀도차(비중차)에 의해서 저절로 유동(대류)하는 것을 말한다. 밀도가 작은 유체 부분은 상승하고, 그 뒤에 밀도가 큰 유체 부분이 하강하는 국부적인 순환 운동이 생긴다. 강제대류는 유체를 펌프 같은 외력에 의해 강제적으로 유동시키는 것이다.

 

유체의 열전도율은 일반적으로 작아 전도에 의한 열전달량은 적고, 유체 내에서의 열이동은 주로 이 열대류에 의한 경우가 많다.

 

예시

일상생활에서 사용되는 예는 컴퓨터 속 CPU나 여름철 바람이 불면 시원해지는 원리가 있다.

 

복사(thermal Radiation)

물질을 구성하는 원자 집단이 열에 의해서 들뜨게 되어, 그 결과 전자기파를 복사하는 현상이다. 물체의 종류와 온도에 따라서 결정되는데, 온도가 높을수록 커진다. 복사선을 잘 흡수하는 물체일수록 스스로 복사선을 내는 작용도 강하게 일어난다.

 

복사열전달의 가장 대표적인 예가 태양열이다. 우주는 진공으로 만들어진 곳이라 어떠한 매체도 없이 태양열이 지구까지 도달하는데 이는 복사열전달의 원리로 전달되는 것이다.

 

예시

복사의 예시는 물체 표면에 검댕을 칠하면 흡수율이 95%나 되므로 복사선에 의해 열을 받기 쉬운 현상이 있다.

 

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