헷갈리는 열 개념 제대로 공부하기 (2) | 열전도도 측정

이번 포스팅에선 열의 개념에 대해 다루어 보고자 합니다.
열의 기본적인 개념부터 정적인 상황을 다루는 열역학, 동적인 상황을 다루는 열전도, 마지막으로 실질적인 열적 측정방식에 대해 다루어 보고자 합니다.

 

• 열전도도 측정 방식

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열(Heat)이란 물체의 온도를 변화시키는 에너지입니다.

이러한 열은 단순히 에너지의 형태가 아닌 에너지의 전달 형태라고 이해하는 것이 더 적합합니다.

이러한 열의 이동 방법에는 열전도, 열대류, 열복사의 3가지가 있습니다.

 

가장 기본이 되는 열역학에서는 두 평형 상태 사이의 에너지 변화량을 다루고 있습니다.

이는 힘의 평형, 화학적 평형, 열적 평형을 모두 포함하며 정적인 상황을 다룬다고 이해해 주시면 좋을 것 같습니다.

 

 

 

열 전달(Heat Transfer), q[W] [J/s]

온도 차이에 의하여 열이 전달되는 현상을 예측하는 학문으로 열의 전달량 뿐만 아니라 열의 시간당 전달률을 예측하는 학문입니다. 이는 상태가 바뀌는 중간 과정을 중요시하며 퓨리에 법칙(Fourior law)을 따릅니다.

 

Heat Transfer ∝ A*dT (Fourier 법칙)

전도 : 두 물체가 접촉해서 분자의 운동이 전달되어 열이 이동하는 현상(푸리에 법칙)

대류 : 액체나 기체 상태의 분자가 직접 이동하면서 열이 이동하는 현상(뉴턴 냉각 법칙)

복사 : 물질의 도움 없이 열이 직접 이동하는 현상

 

Q = h*A*dT [W] [J/S]

열전달 계수(Heat transfer coefficient) α=q/A*dT [W/m2℃] [J/(m2℃)*s]

 

 

 

열전도도(Thermal conductivity) , k [W/m℃] [J/(m℃)*s]

단위 두께를 갖는 평판의 양면에 단위온도차가 주어졌을 때, 단위 시간당 전달되는 열의 양으로 정의됩니다.

• 고체인 경우 : 가 큰 경우에도 오차가 작다.
• 기체, 액체인 경우 : 가 큰 경우 오차가 크다. 
→ 대류 열전달, 복사 열전달 등이 동시에 작용하기 때문

 

 

열전도율(Thermal conductance) , c = K*A/d [W/℃] [J/(℃)*s]

구체적인 크기와 모양을 가진 물체가 실제로 열을 전달하는 정도를 의미합니다.

 

 

대류(Convection)
→ 물질의 이동에 의하여 수반되는 열전달 현상

→ 물질 내에 온도 차이가 존재할 때 열이 전달

→ 전달 매개체가 반드시 필요

→ 물체 주위의 뜨거워진 유체층 (열 경계층) 내의 유체를 이동시킴으로써 열이 전달되는 현상

 

복사(Radiation)

: 전자파(electromagnetic wave)에 의한 열의 전달

: 열전달에서 중요시하는 파장 범위로는 가시광선, 적외선, 자외선 등을 포함하는 범위의 전자파

 

복사열전달의 특징

: 전달매개체가 존재할 경우에는 전자파가 통과할 수 있는 매개체이어야 함

: 전달 매개체가 없는 진공상태에서도 전달할 수 있으며, 이 경우 가장 많은 복사열이 전달

 

열전도도(Thermal conductivity) , k [W/m℃] [J/(m℃)*s]

Energy balance

전도된 량 =  대류에 의해 뺏긴 열량 +  복사에 의해 뺏긴 열량

{Energy conducted in left face at (qx) + Heat generated within element (qgen )}
= {Energy conducted out right face at x+dx( qx+dx) + Change in internal energy(dE/dt) }

 

이는 우리가 잘 모르거나 복잡한 함수를 다루기 쉽고 이해하기 쉬운 다항함수로 대체시키기 위하여 Taylor 급수 전개를 통해 설명됩니다.

 

 

이러한 내부 에너지의 열전도도는 실질적으로 3차원에서 변화되며 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

 

이로써 열에 대한 간단한 이론이 끝났네요. 

다음 포스팅에서 실질적인 열 측정 방식에 대한 내용으로 찾아뵙겠습니다. ^^

 

 

헷갈리는 열 개념 제대로 공부하기 (1) | 열전도도 열역학

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