1. Heat Transfer ( 열전달 )
에너지는 새롭게 생성되거나 파괴되지 않으며 그러나 하나의 형태에서 다른 형태로 변한다는 사실은 널리 알려진 사실입니다. 이러한 자연의 거동에 대해서 열역학은 열과 다른 형태의 에너지 관계를 설명하려는 시도를 하였으며 여러 개의 법칙으로 정의하였습니다. 사실 이러한 법칙들은 자연현상에서 관찰된 결과를 통해서 일반화시킨 결과이며 지금까지도 열역학 법칙을 거스르는 예제가 나오지 않아서 통용되는 법칙으로 많이 알려지고 있습니다.
그러나 열전달은 열역학과는 다르게 시스템 내부에서 이동하는 열전달 정도에 대해서 분석을 한 학문입니다. 즉 하나의 region에서 다른 region으로 에너지 전달을 온도 차이를 이용해서 설명합니다.
열전달은 곧 에너지의 전달이라고 볼 수 있습니다. 그러나 직접적으로 에너지의 전달을 measure가 불가능하기 때문에 measureable 한 물리적인 개념인 온도(Temperature)를 이용하여 설명을 시도하였습니다. 세상의 모든 공간과 우주에는 온도 차이가 항상 존재합니다. 그리고 온도 차이에 의해 발생하는 열 유동은 많은 물리적인 법칙의 조합으로 표현이 됩니다.
2. What is Heat Transfer Analysis? (열전달 분석이란?)
에너지 전달률은 온도 차이의 정도에 의해 정해집니다. 즉 온도 차이가 존재하게 되면 항상 열전달은 발생하게 되는 것이죠. 즉 온도의 불균형에 의해서 열 유동이 발생합니다. 흔히 예시를 들면 뜨거운 커피가 겨울철 바깥 공간에 있을 때 점점 커피의 열 에너지가 추운 곳으로 이동하여 결국은 차가워지는 현상을 생각하시면 되겠습니다.
정리하면 열전달 분석은 온도 차이에 의해서 일어나는 열 유동을 수치화하고 정량화하는 작업입니다. 이러한 작업을 통해서 우리의 일상생활에서 열을 관리해주는 무수한 장치들(에어컨, 히터, 난로...)의 크기를 적정하게 산출해낼 수 있게 됩니다.
Similarities Between Thermodynamics & Heat Transfer
( 해당 표는 열역학과 열전달 분석의 차이점을 간략하게 보여주는 표입니다. )
3. 3가지의 열전달 현상
- 전도 (Conduction)
- 대류 (Convection)
- 복사 (Radiation)
3-1. CONDUCTION ( 전도 )
첫 번째 전도는 때로는 Heat Diffusion이라고도 불립니다. 전도는 높은 온도의 영역과 낮은 온도의 영역에서 에너지 교환을 보여주는 현상으로 고정된 물체 사이에서 분자의 충돌이나 자유 전자의 drift에 의해서 에너지의 전달이 되는 것을 보여주는 현상입니다. 때문에 좋은 전자적인 conductor일수록 좋은 heat conductors(열을 잘 전달할 수 있는 물질)가 될 수 있습니다. ex ) 나무 x, 철 o
예를 들면 차가운 문고리를 손으로 잡았을 때 일시적으로 문고리가 손으로부터 열에너지를 받아서 데워지는 예시를 생각하시면 되겠습니다.
열전도는 두 물체의 온도차와 접촉된 단면적에 비례하며 떨어진 거리에 대해 반비례하는 특성을 지녔습니다. 즉 비례한다는 의미는 더 빠르고 더 많이 에너지를 줄 수 있다는 것이며 반비례의 의미는 열에너지가 전달되는데 느리다고 생각하시면 되겠습니다. 추가적으로 멀리 떨어져 있으면 있을수록 결국은 에너지의 이동 동선에 외부가 개입을 하기 때문에 100% 다른 물체로 에너지가 전달이 안되고 열 손실이 발생할 수도 있습니다.
전도를 설명하는 Equation은 Fourier's 법칙을 통해서 표현합니다.
여기서 k는 열 전도율을 의미하며 물질마다 다른 값을 가집니다. 열 전도율이 좋은 물질(ex - 철) 높은 값을 가지게 되며 낮은 물질(ex - 공기)일수록 낮은 값을 가지게 됩니다.
3-2. CONVECTION ( 대류 )
대류는 공기 또는 물과 같은 유체를 통해서 열이 전달되는 현상을 의미합니다. 즉 열이 가해져 있는 또는 가해진 액체나 기체의 입자가 직접 이동을 하면서 에너지를 주는 현상입니다.
대류에는 크게 2가지 형태의 대류가 존재합니다. ( Natural vs Forced )
* Natural Heat Convection : 대표적인 예시로는 온도 차이로 발생하는 밀도 차이로 인하여 유체가 지속적으로 순환하는 현상을 자연 대류 현상이라고 합니다.
* Forced Convective Heat Transfer : 반면 강제 대류는 주전자를 직접 손으로 흔들었을 때 물이 가열되는 시간이 줄어들게 되는데 이는 온도 차에의 의해 발생된 밀도 차 이외의 주전자 요동에 의해서 강제적으로 뒤섞임이 발생하기 때문에 열이 더 잘 된다고 할 수 있습니다.
추가적으로 대류를 통하여 열에너지의 전달량의 크기를 나타내는 계수가 있습니다. 해당 계수는 대류 계수(Convection Coefficent )로 값이 클수록 방출 혹은 유입되는 열의 양이 증가하게 됩니다.
h가 나타내는 값이 대류 계수이며 해당 값은 전도와 비슷하게 물질마다 다른 값을 가지게 됩니다.
3-3. Radiation ( 복사 )
복사는 전도와 복사와는 다르게 햇빛과 같이 광선에 의해서 따뜻해지는 현상을 의미합니다. 태양과 지구 사이에는 진공상태로 유지되어있으며 진공상태는 어떠한 매질이 존재하지 않기 때문에 전도나 대류현상이 발생하지 않으나 태양의 에너지가 전달되는 것은 가시광선과 같이 매질이 필요하지 않은 요소들에 의해서 열전달이 일어나는 현상을 의미합니다. 복사를 잘하기 위해 이상적인 radiator를 blackbody라고 부르며 blackbody는 단어 구성과 동일하게 검은색 몸체로서 방사되는 에너지들을 모두 흡수가 가능한 물체를 의미합니다.
복사를 대표하는 Equation은 Stefan-Boltzmann 법칙입니다.
4. 정리
물체와 물체 사이의 열전달을 설명하는 현상은 전도(Conduction)이며 에너지를 가진 분자가 직접적으로 이동을 통해서 열을 전달하는 현상은 대류(Convection)입니다. 그리고 매질을 필요로 하지 않는 광선 등의 방법을 통해서 열을 전달하는 현상을 방사(Radiation)라고 할 수 있겠습니다.
댓글