열전달 - 화재론 - 소방학개론

 

1. 열전달

​ 가. 열전달의 개념

   ▣ 열전달은 두 물체 사이에서 열에너지가 이동하는 것을 말한다.

   ▣ 열은 항상 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동한다.

   ▣ 온도가 높은 곳에서 빠져나온 에너지가 온도가 낮은 곳으로 전달되는데, 이 과정에서 에너지는 보존된다.

   ▣ 두 물체의 온도가 같아지면, 더 이상 열이 이동하지 않는다. 이 상태를 평형이라 한다.

   ▣ 열이 전달되는 주 경로는 전도, 대류, 복사다.

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나. 전도 (Conduction)

 

 

 ① 정의 : 물체를 이루고 있는 원자나 전자들의 충돌에 의해 에너지가 확산되는 과정이다.

                전도는 온도가 다른 두 물체가 접촉해 있을 때 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의

                물체로 일어나기도 하고, 한 물체 내에서도 온도 차이가 생기면 일어나기도 한다.

 ② 전도의 예 : 티스푼을 통해 커피의 열이 손에 전달되는 것

                        끓는 국자의 손잡이에 열이 전달 되는 것

 

 [참고] 열전도와 관계 있는 것

   ① 열전도율 [kcal/(m·h·K)]           ② 배열 [cal/(g·℃)]

   ③ 밀도 [kg/㎥]                             ④ 온도 [℃]

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다. 대류 (Convection)

 

 

 ① 정의 : 높은 에너지를 가진 물질 자체가 이동하면서 에너지를 전달하는 과정이다.

               대류는 기체나 액체에서 일어난다. 높은 온도의 기체나 액체는 분자의 운동이

              활발하고 밀도가 낮다. 낮은 밀도의 기체나 액체가 상승하면서 위쪽으로 에너지가 전달된다.

 ② 대류의 예 : 난로에 의해 방안의 열이 이동하는 현상

        ※ 대류열 Q = hA (T2 - T1)

             Q : 대류열 [W/㎡], h : 대류열전달계수 [W/(㎡·K)]

             T2 - T1 : 온도차 [k], A : 대류면적 [㎡]

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라. 복사 (Radiation)

 

 

  ① 정의 : 열에너지를 가진 물체가 전자기파를 방출하면서 공간적으로 떨어진 곳에 에너지

                 를 전달하는 과정이다. 일반적으로 높은 온도를 가진 물체는 짧은 파장의 전자기

                 파를 방출하고, 낮은 온도를 가진 물체는 긴 파장의 전자기파를 방출한다.

                 표면 온도가 6000 K에 달하는 태양에서는 자외선, 가시광선, 적외선이 모두 방

                 출된다. 일상생활에서 쉽게 접하는 몇백 도 정도의 물체에서는 적외선이 주로 나

                 온다. 눈으로는 볼 수 없지만, 우리 피부는 적외선을 감지하여 따뜻함을 느낀다.

 

 

  ② 복사의 예 : 태양의 열이 지구에 전달되어 따뜻함을 느끼는 것

         ※ 복사열 Q = σ AT4

              Q : 복사열 [W], σ : 스테판-볼츠만 상수 [W/(㎡·K4)], A : 단면적 [㎡], T : 절대온도[K]

  ③ 빈의 변위법칙 : 온도에 따라 전자기파는 빈의 변위법칙을 따릅니다.

 

 

▣ 온도가 높을 수록 파장이 짧은 전자기파(고주파)를 상대적으로 더 많이 내뿜습니다.

     예를 들어 쇳물의 온도는 약 2,000[°K] 정도로 '빨간색 가시광선'을 가장 많이 내뿜

     으며 태양의 온도는 약 6,000[°K] 정도로 '노란색~푸른색 가시광선'을 가장 많이

     내뿜으며 태양의 색은 모든 스펙트럼의 빛이 섞여 하얀색이며 노랑 ~ 푸른색의 가시

      광선이 조금 더 많으므로 노란색과 푸른색이 섞인 하얀색입니다.

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 ※ 같은 온도에서 서로 다른 물체에서 방사되는 전자기파

   ▣ 서로 다른 어떤 물질을 '흑체(black body)'라고 가정한다면 동일한 온도에서 발생하

       는 전자기파는 동일합니다. 즉, 돌맹이든 쇠붙이든 동일 온도에서는 같은 전자기파를 내뿜습니다.

 

<참고> 스테판-볼츠만의 법칙

  ▣ 어떤 물체의 면적 'A'에서 발생하는 전자기파의 에너지의 합계는 절대온도의 4제곱에

       비례(스테판이 발견)하며, 볼츠만이 유도해 낸 볼츠만 상수를 곱한 것과 같습니다.

 

【출제예상문제】

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1. 열의 3대 전달방법이 아닌 것은 ? ①

  ① 흡수      ② 전도       ③ 복사        ④ 대류

 [열전달의 방법] 복사, 전도, 대류 모두 복합적으로 작용한다.

   ① 전도 : 고체에서의 발생

   ② 대류 : 유체에서의 열전달 (유동을 동반한다)

   ③ 복사 : 전자기파에 의한 열전달로 매질 (고체, 액체, 기체)이 없어도 전달되며, 본격 화재시 가장 크게 작용을 한다.

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2. 열전도율이 가장 작은 것은 ? ④

  ① 알루미늄         ② 철재             ③ 은            ④ 암면(광물섬유)

  [열전도율] ① 알루미늄 : 237 [W/(m·K)]            ② 철재 : 80.3 [W/(m·K)]

                    ③ 은 : 427 [W/(m·K)]                      ④ 암면 : 0.046 [W/(m·K)]

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3. 열전도율을 표시하는 단위에 해당하는 것은 ? ③

   ① kcal/(㎡·h·℃)         ② kcal·㎡/(h·℃)         ③ W/(m·K)             ④ J/(㎥·K)

  [열전도율의 단위]

    ▣ 어떤 물질에 열전도에 의해 열이 전달되는 수치를 말한다.

         단위 : [kcal/(m·h·℃)] , [W/(m·K)]

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4. 열에너지가 물질을 매개로 하지 않고 전자파의 형태로 옮겨지는 현상은 ? ①

   ① 복사         ② 대류            ③ 승화             ④ 전도

 [열전달의 방법 (복사)]

  ▣ 전자파에 의한 열전달로 매질(고체, 액체, 기체)이 없이도 전달되며, 본격 화재 시

      가장 크게 작용을 한다.

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5. 스테판-볼츠만의 법칙에 따르면 복사열은 절대온도와 어떤 관계에 있는가 ? ②

   ① 절대온도의 제곱에 비례한다.           ② 절대온도의 4제곱에 비례한다.

   ③ 절대온도의 제곱에 반비례한다.       ④ 절대온도의 4제곱에 반비례한다.

 [해설] 스테판-볼츠만의 법칙 : 복사열은 절대온도의 4제곱에 비례한다.

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6. 물체의 표면온도가 250 [℃]에서 650 [℃]로 상승하면 열복사량은 약 몇 배 정도 상승 하는가 ? ④

  ① 2.5          ② 5.7            ③ 7.5            ④ 10.0

 [스테판-볼츠만의 법칙]

 

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