열전달(전도/대류/복사)란?

[정종태]

대류 

가열된 공기나 유체가 움직이면서 열이 전달되는 현상. 열의 세 가지 전달과정(전도·복사·대류) 가운데 하나이며, 이로 말미암아 유체 전체가 고루 가열된다. 주전자에 물을 넣고 데울 때 데워진 부분이 열팽창으로 밀도가 내려가 그 부분은 가벼워지고, 부력에 의해 상승함과 동시에 주위의 차가운 부분의 물이 그곳으로 들어가게 되는데, 이러한 작용이 반복되면서 주전자의 물 전체가 데워지게 된다. 주전자의 경우에는, 중심 부근에서 뜨거운 물이 상승하고 주전자의 벽 부근에서 하강하는 흐름이 일어나는데, 이런 대류 작용은 공기나 유체 사이의 일정한 온도 차이에서 비롯되는 것이다.

자연계의 대류

가벼운 유체 위에 무거운 유체가 겹쳐질 때의 유체의 전도현상이나, 유체층의 일부가 가열(냉각)되어 주위보다 가볍게(무겁게) 된 유체 덩어리가 상승(하강)하는 현상을 연직대류라 한다. 자연계의 연직대류로서는 다음의 것들이 알려져 있다. ① 지구 내부에 있는 액체핵 중의 대류:방사성 원소가 붕괴할 때 방출되는 열이 동력원이며, 지구 자기장이 형성된다. ② 맨틀대류:지구 내부에서의 온도기울기 또는 밀도기울기에 의한 고체의 유동현상이다. ③ 마그마굄 중의 대류:고온의 암석이 융해 또는 응고하는 과정에서 대류가 생긴다. ④ 해양표층 및 호소의 대류:특히 겨울철에 수면이 냉각되어 대류가 생긴다. ⑤ 해수 내부의 이중 확산 대류:온도와 염분 2개요소가 해수의 밀도를 지배하여 생기는 특수한 대류이다. ⑥ 대기의 대류혼합층:주간에 지표면이 일사에 의해 가열될 때, 지표에서 1㎞ 정도의 대기층 중에 난기류의 대류가 생긴다. ⑦ 중규모 세포 모양 대류:두께 1㎞ 정도의 한기층이 해양 위에 유출될 때, 해수온도가 기온보다 높아서 한기가 아래층부터 가열되어 세포 모양 대류가 생긴다. ⑧ 적운대류:어떤 높이에 있는 공기 덩어리가 상승할 때 기압은 상공으로 갈수록 낮아지는 현상에서 비롯되는 단열냉각으로 말미암아 공기 덩어리의 온도는 100m 상승할 때마다 약 10℃씩 감소한다(건조단열감률). 따라서 상승을 지속할 수 없다. 이와 같은 대기의 상태를 안정이라 한다. 그러나 만일 공기 덩어리가 수증기로 포화되어 있다면, 기온의 저하와 함께 수증기의 일부가 응결하고, 잠열이 해방되어 공기 덩어리를 따뜻하게 하여 공기 덩어리의 온도는 100m에 대해 0.5℃ 정도로 감소한다(습윤단열감률). 또한 상승하면 할수록 주위보다 기온이 높아지고 가벼워져서 점점 더 상승하게 된다. 이와 같은 대기의 상태를 불안정이라 한다. 이와 같이 건조공기의 상승에 대해서는 안정이지만, 습윤공기의 상승에 대해서는 불안정한 상태를 조건부불안정이라 한다. 조건부불안정 대기 중에 생기는 대류를 적운대류라 한다. ⑨ 항성 내부의 대류:항성은 중심부에서 핵융합반응에 의해 열이 발생하고 있으며, 표층으로부터 열복사로 열이 도망가게 되는 것으로 불안정한 밀도성층으로 되며, 대류가 생기고 있다고 생각된다. ⑩ 수평대류:대기나 해양은 안정한 밀도성층(상부일수록 밀도가 작은 성층)을 이루고 있어 수평방향의 온도차에 의한 대류가 일반적이다. 대기대순환에서 해륙풍까지의 수평대류에 의해 생긴다.

복사 

원자핵·소립자 변환(방사성붕괴·핵분열·핵반응·소립자붕괴·소립자반응 등)을 제외한 자연적·인공적 현상·작용에 의해 입자빔 또는 전자기파(전파·광·X선 등)가 방출되는 현상.

원자핵·소립자 변환(방사성붕괴·핵분열·핵반응·소립자붕괴·소립자반응 등)을 제외한 자연적·인공적 현상·작용에 의해 입자빔 또는 전자기파(전파·광·X선 등)가 방출되는 현상. 복사되는 입자빔·전자기파를 ＜복사선＞이라 하는 경우도 있다. 복사에 대해서 원자핵·소립자 변환에 의해 입자빔·전자기파가 방출되는 현상을 방사라 하는데, 방사된 입자빔·전자기파의 작용에 의해 2차적으로 입자빔·전자기파가 방출되는 것은 복사 현상에 포함된다. 예를 들면 방사성붕괴의 하나인 β붕괴로, 원자핵으로부터 방출된 β선(고에너지의 전자)이 물질을 통과할 때는 X선이 방출되는데, 이는 복사 현상이며 특히 ＜제동복사(制動輻射)＞라 한다.

전도 

물질 이동을 수반 없이 고온부에서 이것과 접하고 있는 저온부로 열이 전달되는 현상.

예를 들면 금속막대의 한쪽 끝을 가열하면 가열되는 부분부터 순차적으로 뜨거워지는 경우, 온도가 다른 물체끼리의 접촉에 의해 열이동이 일어나는 경우를 들 수 있다. 액체나 기체 내부의 열이동은 주로 대류에 의한 것이지만, 고체 내부의 경우에는 주로 열전도에 의해서 열이 이동한다. 열전도에 의한 물체 내부의 열 전달속도는 물질 내부의 온도기울기(단위길이당 온도차)에 비례하지만, 물질 종류에 따라 큰 차이가 있다. 예를 들면, 구리·철과 같은 전기양도체인 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 확산시키는 것이 어렵다. 그 이유는 각각 물질에 따라 열전도의 작용원리가 다르기 때문이다. 이것을 수치로 나타내는 것을 그 물질의 열전도도라고 하며, 두께 1㎝의 물질층 양면에 1℃의 온도차를 두었을 때, 그 층의 1㎠의 넓이를 1초 사이에 통과하는 열량을 사용한다.

일반적으로 그 값은 온도에 따라 다소 달라지는데, 물질 종류에 따라 거의 정해진 값을 가지는 물질상수로 보아도 좋다. 또 금속의 열전도도와 전기전도도 사이에는 비례관계가 있으며, 1853년 G.H.비데만과 R.프란츠는 동일 온도일 때 양쪽의 비는 금속 종류에 관계없이 일정한 값을 가진다는 사실을 발견하였다. 이것을 비데만-프란츠의 법칙이라고 한다.

【열전도의 메커니즘】 금속 내의 열전도는 자유전자가 열을 고온부에서 저온부로 운동에너지 형태로 운반하기 때문에 일어난다. 이 때문에 금속의 열전도도는 높고, 열전도도와 전기전도도 사이에 상관관계가 나타난다. 온도가 더욱 높아지면 열전도도가 어느 정도 낮아지는 것은 자유전자의 운동이 결정격자의 열진동에 의해 방해를 받기 때문인 것으로 알려져 있다. 한편 같은 자유전자를 가지지 않는 유전체(절연체)의 경우, 열에 의해 그 일부에 발생한 원자 ·분자의 진동이 일종의 파동성을 가져서 그것이 표면에서 반사되어 정상파를 만들며, 정상파 전체의 에너지가 균일하게 내부에너지를 높이는 작용원리에 의해 열을 전달한다.

이 파동의 전달은 비교적 느리게 진행하므로 유전체의 열전도도가 금속에 비해서 낮다. 기체의 경우에는 고체 ·액체와는 완전히 다른 작용원리를 가지며, 서로 다른 온도를 가지는 2개 기체층 경계에서 분자가 교환(확산)되면서 서로 운동에너지를 교환함으로써 열이 전달된다. 이 확산과정이 느리기 때문에 기체의 열전도도는 다른 상태보다 매우 낮은 값을 갖는다.