열전달 기구

열은 전도, 대류, 복사의 세 가지 방법으로 전달된다. 모든 형식의 열전달은 온도차에 있어야만 가능하며, 열은 높은 온도의 매체로부터 낮은 온도의 매체로 전달된다.

 전도(conduction)는 입자 간 상호작용의 결과로써 보다 활동적인 물질의 입자로부터 인근의 활동이 적은 입자로의 에너지 전달이다. 전도는 고체, 액체, 기체 내에서 일어날 수 있다. 기체와 액체에서는 분자들의 불규칙 운동 동안에 분자들의 충돌에 의해 일어나고, 고체에서는 격자 네의  분자 진동과 자유 전자에 의한 에너지 수송에 의해 전도가 일어난다. 예를 들어 따뜻한 실내에 있는 차가운 캔 음료수는 알루미늄 캔을 통한 전도에 의해 방으로부터 음료수로 열이 전달되어 결구 음료수의 온도가 실내의 온도까지 올라가 따뜻해진다.

 온도는 분자 운동에너지의 척도이다. 액체나 기체에서 분자 운동에너지는 진동 및 회전 운동뿐만 아니라 분자들의 무작위 운동에 기인한다. 서로 다른 운동에너지를 가지고 있는 두 개의 분자들이 충돌할 때, 온도가 높은 분자보다 활동적인 분자의 운동에너지는 온도가 낮은 덜 활동적인 분자에 전달된다. 이것은 질량이 같고 속도가 다른 두 개의 탄성 공이 서로 충돌할 때, 속도가 빠른 쪽 공의 운동에너지가 느린 쪽 공에 전달되는 것과 같다.

 고체에서 열전도는 격자(lattice) 내에서 상대적으로 고정된 위치에 있는 분자들의 진동 운동으로 발생한 격자 진동파와 고체 내의 자유 전자를 통한 에너지 수송의 두 가지 결과로 인하여 일어난다. 고체의 열전도율은 격자 성분과 전자 성분의 합이다. 순수 금속의 열전도율은 주로 전자 성분이고, 반면에 비금속의 열전도율은 주로 격자 성분이다. 열전도율의 격자 성분은 분자가 배열된 방법에 따라 크게 달라진다. 고도로 규칙적인 결정 고체인 다이아몬드의 열전도율은 순수 금속의 열전도율 보다도 훨씬 높다.

 대류(convection)는 고체 표면 주위에서 운동 중인 액체 또는 기체와 고체표면 사이의 에너지 전달 방식이며, 전도와 유체 운동이 조합된 결과이다. 유체 운동이 빠를수록 대류 열전달은 크다. 유체 운동이 없는 경우에, 고체 표면과 주위의 유체 사이의 열전달은 순수한 전도이다. 유체 운동은 고체 표면과 유체 사이의 열전달을 증진시키지만, 열전달률 계산도 복잡하게 만든다.

 판의 표면 위에 차가운 공기를 불어넣어 뜨거운 판을 냉각하는 과정을 생각해 보면 에너지는 전도에 의해 표면에 인접한 공기층에 전달된다. 에너지는 대류에 의해 표면으로부터 전달되어 나간다. 즉, 공기 분자들의 무작위 운동에 기인한 공기 내부의 전도와 판 주위의 가열된 공기를 밀어내고 차가운 공기로 대체하는 공기의 대량 운동이나 거시적 운동의 복합 효과에 의해 열이 전달된다.

 송풍기, 펌프 또는 바람과 같은 외부 수단에 의해 유체가 관 내나 표면 위에서 강제로 유동하는 경우의 대류를 강제대류(forced convection)라고 한다. 이에 비하여, 유체 내의 온도 변동으로 인한 밀도 차에 의해 생긴 부력에 의하여 유체 운동이 일어난 경우의 대류를 자연대류(natual convection)라고 한다. 예를 들어 송풍기가 없는 경우, 뜨거운 판의 표면으로부터 열전달은 자연대류이다. 이것은 공기 운동이 표면 근처의 따뜻한  공기의 상승과 그 자리를 채우기 위한 찬 공기의 하강으로 일어나기 때문이다. 만일, 공기가 저항을 이겨내고 움직여 자연대류 흐름을 일으킬 만큼 공기와 판 사이의 온도차가 충분히 크지 않다면 판과 주위 공기 사이의 열전달은 전도이다.

 유체의 상변화를 포함하는 열전달 과정에는 비등하는 동안 증기 기포의 상승이나 응축하는 동안 액체 방울의 하강과 같은 운동이 수반되기 때문에 대류로 간주된다.

 복사(radiation)는 원자나 분자의 전자 배열의 변화로 인하여 전자기파나 광양자(photon)의 형태로 물질에 의해 방사된 에너지이다. 전도나 대류와는 달리, 복사에 의한 에너지 전달은 매개 물질을 필요로 하지 않는다. 사실, 복사에너지는 광속으로 전달되며, 진공을 통과할 때 에너지가 감소되지 않는다. 이것이 바로, 태양에너지가 지구에 도달하는 방법이다. 

 열복사는 물체의 온도 때문에 물체에 의해 방사된 복사 형태이다. 이것은 온도와 관계가 없는 X-선, 감마선, 극초단파, 라디오파 및 텔레비전전파와 같은 전자기 복사와는 다르다. 절대온도 영(0)도 이상의 모든 물체는 열복사를 방출한다.

 복사는 체적 현상이며, 모든 고체, 액체, 기체는 정도는 다르지만 복사를 방출하고, 흡수하고 또는 전파시킨다. 그러나 금속, 나무 및 바위와 같이 고체의 내부에서 방사된 복사는 표면에 도달할 수 없고, 입사된 복사는 표면으로부터 수마이크론 내에서 흡수가 끝나기 때문에, 이와 같이 열복사가 통과할 수 없는 고체에 대한 열복사는 보통 표면 현상이다.

 절대온도 T에서 표면으로부터 방사되는 최대 복사율은 Stefan-Boltzmann 법칙에 의해 주어진다.

최대 복사율로 복사하는 이상화된 표면을 흑체(blackbody)라고 하며, 흑체에 의해 방사된 복사를 흑체 복사(blackbody radiation)라고 한다.

 표면에 관한 또 하나의 중요한 복사 상태량은 흡수율(absorptivity)이다. 이것은 표면에 입사된 복사에너지에 대하여 표면이 흡수한 복사에너지의 비율이다. 방사율과 마찬가지로 흡수율의 값은 0 ≤ a ≤ 1의 범위이다. 흑체는 입사한 복사에너지를 모두 흡수한다. 즉, 흑체는 완벽한 방사 물질일 뿐만 아니라 a=1인 완벽한 흡수물질이다.