열의 전도(Heat Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation) 현상 - 기구설계 이론 17

안녕하세요. 똑순이밍쓰입니다.

오늘은 지난 포스팅에서 말씀드린 것 중 전도 (Heat Conduction), 대류 열전달 (Theat Convection), 복사열전달(Heat radiation)에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

전도 (Heat Conduction)

전도 (Heat Conduction)은 정지상태에 있는 고체 물체가 위치의 변화 없이 단순히 온도차에 의해서만  열이 전달되는 현상을 말합니다. 예를 들어 뜨거운 온돌방에서 앉아 있으면, 뜨거운 방바닥에 의해서 사람의 엉덩이가 뜨거워지는 것처럼 물체가 움직이지 않고 접촉만 하고 있어도 두 물체 사이의 온도차에 의해서 열에너지가 전달되어 열이 전달되는 방식입니다. 또 하나의 예를 들면 요리를 할 때 끊고 있는 냄비 속에 국자를 넣어 놓으면 국자가 뜨거워지는 현상도 전도(Heat Conduction) 현상의 하나입니다. 전도(Heat Conduction) 현상은 한 물체 내에서 온도 차이가 발생하면 한 물체 안에서도 한쪽 끝에서 다른 쪽으로 일어 날 수 잇는 현상이며, 두 물체의 사이에서도 일어 날 수 있으며, 제 3의 물체를 매개로 하여 일어 날 수도 있습니다.

두 물체 사이에 일어나는 열전도(Heat Conduction)의 양은 두 물체의 온도차와 접촉된 단면적에 비례하며, 거리에 반비례하는 특성을 가졌습니다. 즉, 두 물체 사이의 온도차이가 많이 나면 온도 차이를 동일하게 맞추기 위해 일어나야 하는 온도 변화량이 많아서 열전도(Heat Conduction) 양은 많아지며, 두 물체 사이에 접촉된 단면적이 많으면 열에너지를 전달할 수 있는 면적이 넓어서 열전도(Heat Conduction) 양이 많아집니다. 두 물체가 멀리 떨어져 있다면, 열에너지가 이동해야 하는 거리도 멀어지며 이동하는 동안에 열 손실도 발생하기 때문에 열전도(Heat Conduction) 양이 줄어들게 되는 것입니다.

 

대류 열전달 (Heat Convection)

대류 열전달 (Heat Converction)은 공기나 물과 같이 기체 및 유체를 통해 열이 전달되는 현상을 말합니다. 전열기 위해 찬 물이 들어 있는 주전자를 올려놓으면 시간과 더불어 물은 가열되어 온도가 상승하게 되고, 주전자 속에서는 끊임없이 물이 아래에서 위로 그리고 위에서 아래로 순환되는 것을 볼 수 있습니다. 그 이유는 물의 밀도는 온도에 반비례하기 때문에 즉, 온도가 증가할수록 밀도는 줄어들기 때문에 전열기와 가장 가까운 부분에 있는 물은 온도가 상승하여 밀도가 낮아져서 위쪽으로 올라가는 반면 위쪽에 있는 물은 상대적으로 밀도가 높기 때문에 밑으로 내려오는 현상이 나타나게 됩니다. 즉, 열이 가해진 액체나 기체 상태의 입자가 직접 이동하면서 열이 전달되는 것을 대류 열전달(Heat Convection)이라고 합니다. 이와 같이 온도 차이에 의한 밀도 차이로 순환하는 유체 흐름에 따라 열이 전달되는 현상을 자연 대류 열전달(Natural Heat Convection) 현상이라고 합니다. 반면, 전열기 위의 주전자를 손으로 흔들어 주게 되면 물이 가열되는데 걸리는 시간은 줄어들게 됩니다. 그 이유는 온도 차이에 따른 밀도 차이 외에 주전자의 요동에 따라 내무 물이 강제적으로 뒤섞여서 열이 보다 잘 전달되기 때문입니다. 이와 같이 유체의 강제적인 흐름에 따라 열이 전달되는 현상을 강제대류 열전달 (Forced Convective Heat Transfer)라고 합니다. 

이때 대류를 통해 전달되는 열에너지량의 크기를 나타내는 계수는 대류 계수(Convection Coefficient)라고 합니다. 대류 계수(Convection Coefficient)가 커질 수록 방출 혹은 유입되는 열의 양이 증가하게 됩니다. 대류계수(Convection Coefficient)는 자연 대류 열전달(Natural Heat Convection)에서 열에너지량의 크기를 나타내는 자연대류 계수 (Natural Convection Coefficient)와 강제대류 열전달 (Forced Convective Heat Transfer)에서 열에너지량의 크기를 나타내는 강제대류 계수 (Forced Convection Coefficient)로 구분이 되며, 자연 대류 열전달(Natural Heat Convection)은 대체로 유체의 종류에 크게 영향을 받는 반면, 강제대류 열전달 (Forced Convective Heat Transfer)는 유체 속도 그리고 유동 방향과 물체 표면이 이루는 각도 등에 따라서 달라지게 됩니다.

 

 

복사열전달, 열복사(Heat Radiation)

복사 열전달, 열복사 (Heat Radiation)은 전자기파 형식으로 열이 전달되는 현상을 말합니다. 예를 들어 겨울철 햇빛이 뜨겁게 내리쬐는 곳에 있으면 따뜻한 현상이 나타나는 방식입니다. 또 다른 예로 태양에서 방출되는 열이 지구로 전달되는 현상입니다. 태양과 지구 사이에는 진공상태로 어떠한 매질도 존재하지 않기 때문에 전도나 대류 현상이 일어나지 않지만 태양의 뜨거운 온도가 지구까지 전달됩니다. 이것은 태양에서 발생하는 열이 복사선의 형태로 지구로 운반되기 때문에며, 밤이 되면 물체가 점점 차가워지는 이유도 태양으로부터의 열복사(Heat Radiation) 대신 지상으로부터 하늘을 향해 열이 복사되기 때문입니다. 즉 태양이나 난로에서의 열의 이동처럼 물질의 도움 없이 직접 열에너지가 이동하는 현상을 열복사 (Heat Radiation) 말합니다. 물체가 복사선을 방출하고 흡수하는 정도는 물체 온도 외에 그 표면상태에 따라 영향을 받습니다.