1. 열전달
가. #열전달 의 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.
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.
※ 고체간의 직접적인 접촉에 의해 열이 전달되는 것. 고온 → 저온으로 열전달
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·hr·K)] ② 배열 [cal/(g·℃)] ③ 밀도 [kg/㎥] ④ 온도 [℃]
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.
※ 일정공간에 있는 기체는 온도가 균일해지는 경향이 있다.
뜨거운 공기는 위로 차가운 공기는 밑으로 내려 온다.
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 [㎡]
라. 복사 (Radiation)
① 정의 : 열에너지를 가진 물체가 전자기파를 방출하면서 공간적으로 떨어진 곳에 에너지를 전달하는 과정이다.
일반적으로 높은 온도를 가진 물체는 짧은 파장의 전자기파를 방출하고, 낮은 온도를 가진 물체는 긴 파장의
전자기파를 방출한다.
표면 온도가 6000 K에 달하는 태양에서는 자외선, 가시광선, 적외선이 모두 방출된다. 일상생활에서 쉽게 접하는
몇백 도 정도의 물체에서는 적외선이 주로 나온다. 눈으로는 볼 수 없지만, 우리 피부는 적외선을 감지하여
따뜻함을 느낀다.
※ 절대 0[˚K] 보다 높은 온도를 갖는 모든 물체는 그 온도에 따라 수면에서 부터 든 방향으로 전자파 형태로 열에너지를
발산한다.
◈ 모든 물체는 자기 온도에 걸맞는 전자파 형태로 열을 사방으로 발산한다. 그로 인해 열의 전달형태를 복사라고 말한다.
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 내뿜으며 태양의 온도는 약 6,000[°K]
정도로 '노란색~푸른색 가시광선'을 가장 많이 내뿜으며 태양의 색은 모든 스펙트럼의 빛이 섞여 하얀색이며
노랑 ~ 푸른색의 가시광선이 조금 더 많으므로 노란색과 푸른색이 섞인 하얀색입니다.
※ 같은 온도에서 서로 다른 물체에서 방사되는 전자기파
▣ 서로 다른 어떤 물질을 '흑체(black body)'라고 가정한다면 동일한 온도에서 발생하는 전자기파는 동일합니다.
즉, 돌맹이든 쇠붙이든 동일 온도에서는 같은 전자기파를 내뿜습니다.
【 전열현상】
◈ 전도 : #고체 간 직접적인 접촉에 의한 열전달
◈ 대류 : #유체 간의 열전달
◈ 복사 : #전자파 형태의 에너지 발산에 의한 열 전달
<화재와 관련된 열전달 현상>
복사 > 대류 > 전도
<참고> 스테판-볼츠만의 법칙 : 복사에 관한 법칙
▣ 어떤 물체의 면적 'A'에서 발생하는 전자기파의 에너지의 합계는 절대온도의 4제곱에 비례(스테판이 발견)하며,
볼츠만이 유도해 낸 볼츠만 상수를 곱한 것과 같습니다.
[ 스테판 - 볼츠만의 법칙]
Q = 4.88 A ε [(T1/100)4 - (T2/100)4]
Q : 복사열 [kcal/hr], A : 단면적 [㎡], ε : 계수
T1 : 고온체의 절대온도 [°K]
T2 : 저온체의 절대온도 [°K]
즉, 복사에너지는 면적에 비례하고 절대온도의 4승에 비례한다.
◈ 단원자 · 이원자 분자 : 복사에너지를 #흡수 · #투과
◈ #삼원자 분자 이상 : 복사에너지 흡수
※ 단원자 분자 : He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
※ 이원자 분자 : H2, N2, O2, CO
※ 삼원자 분자 : H2O, CO2, SO2
【출제예상문제】
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.
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)]
3. #열전도율 을 표시하는 단위에 해당하는 것은 ? ③
① kcal/(㎡·hr·℃) ② kcal·㎡/(hr·℃) ③ W/(m·K) ④ J/(㎥·K)
[열전도율의 단위]
▣ 어떤 물질에 열전도에 의해 열이 전달되는 수치를 말한다.
단위 : [kcal/(m·h·℃)] , [W/(m·K)]
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.
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 : #복사열 은 #절대온도 의 4제곱에 비례한다.
6. 물체의 표면온도가 250 [℃]에서 650 [℃]로 상승하면 열복사량은 약 몇 배 정도 상승하는가 ? ④
① 2.5 ② 5.7 ③ 7.5 ④ 10.0
[스테판-볼츠만의 법칙]
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