열전달의 3가지 방법에 대해 설명해보세요.

온도가 다른 두 물체가 열적으로 서로 접촉하면 더운 것은 차가워지고 차가운 것은 더워지는 열전달 현상이 일어난다. 열전달(heat transfer)에는 전도․대류․복사 세 가지 방법이 있으며 흔히 한 가지 이상의 방법이 복합되어 일어난다. 위의 3가지 열전달 방식의 차이를 간단하게 설명하면 전도는 열을 전달해 주는 물질이 존재하고, 열전달 후에도 그 물질의 위치가 변하지 않는 것이다. 대류는 열을 전달해 주는 물질(유체)이 존재하고, 열전달 후에 그 물질의 위치가 변하는 것, 복사는 열을 전달해 주는 물질이 없는 상태에서 열이 직접 전달되는 것이라고 볼 수 있다.

해설 및 핵심용어정리

(1) 전도

전도란 물체간의 직접적인 접촉을 통해서 열이 전달되는 것이다. 전도(conduction)는 물체간의 직접적인 접촉을 통하여 열이 전달되는 것이다. 뜨거운 온돌방에 앉아 있으면 엉덩이가 뜨거워지는 것처럼 물질의 직접적인 이동을 수반하지 않고 접촉하고 있는 두 물체의 온도차에 의해서 열(에너지)이 흐르는 방식이 전도이다. 전도는 한 물체 내에서도 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 일어날 수도 있고, 제3의 물체를 매개로 하여 일어날 수도 있다.

미시적 규모에서 보면 전도는 빠르게 진동하거나 움직이는 원자 또는 분자들이 이웃 원자 또는 분자들과의 상호작용을 통해서 열(에너지)이 전달되는 것이다. 열은 이웃 원자들이 다른 원자에 대해서 진동하거나 전자들이 한 원자에서 다른 원자로 옮겨가는 형태로 전달된다. 전도는 물질의 모든 상태(고체, 액체, 기체 등)에서 일어나지만 고체에서는 가장 중요한 열전달 방법이다. 고체에서 전도는 결정을 이루는 분자들의 진동의 조합과 자유전자의 이동에 의해서 일어나고, 기체와 액체에서는 분자들의 충돌과 그들의 무작위 운동이 일어나는 동안의 확산에 의해서 일어난다.

(2) 대류

대류는 유체가 부력에 의한 상하운동으로 열을 전달하는 것으로써 아랫부분이 가열되면 대류에 의해 유체 전체가 골고루 가열된다. 촛불 주위에 손을 가까이하였을 때 같은 거리임에도 촛불 위쪽에 손을 가까이할 때 더 따뜻해지는 것을 느낄 수 있다. 이는 촛불 위쪽의 공기가 촛불로 인해 가열되어 팽창하고 주변 공기보다 가벼워져 위쪽으로 올라가 손에 닿았기 때문이다. 이처럼 가열에 의해 발생한 밀도 차이에 의해 유체의 이동이 자연스럽게 이루어져 열이 전달될 때 이를 자연대류라 한다. 반면에 온풍기 등에 의해 강제적으로 유체를 이동시켜 열을 전달하는 것을 강제대류라 한다.

자연대류는 우리 주변에서 흔하게 관찰할 수 있는데, 주전자에 물을 넣고 가열하면서 톱밥을 넣으면 톱밥이 밑 부분에서부터 화살표 방향으로 위아래로 순환되는 것을 볼 수 있다. 가열된 아랫부분의 물은 팽창하여 밀도가 작아지고 부력에 의해 위쪽으로 밀려 올라가게 되며 위에 있던 물은 아래로 내려오게 될 것이다. 이런 과정을 통해 주전자 안에 있는 물은 고르게 가열된다.

차가운 방이 난로에 의해 따뜻해질 때도 같은 현상이 나타난다. 난로는 방 아랫부분의 공기를 따뜻하게 한다. 따뜻한 공기는 팽창하여 밀도가 낮아지고 부력에 의해 천정으로 올라가서 원래 있던 차가운 공기를 아래로 밀어내게 된다. 이와 같은 공기의 순환이 계속해서 발생하여 방 전체가 데워지게 된다.

냉장고의 얼음은 높은 데에 두고, 난방 기구는 낮은 데에 두는 것은 이 대류효과를 이용한 것이다. 난류, 육풍, 해풍 등 대기의 대류현상은 기상상태를 결정하는 중요한 요인의 하나이다. 가열되는 구역이 유체의 윗부분에 있으면 대류는 일어나지 않는다.

(3) 복사

원자 내부의 전자는 열을 받거나 빼앗길 때 원래의 에너지 준위에서 벗어나 다른 에너지 준위로 전이한다. 이때 전자기파를 방출 또는 흡수하는데, 복사는 이러한 전자기파에 의해 열이 매질을 통하지 않고 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 전달되는 현상이다.

매질을 통해 열이 흘러가는 전도나 열과 매질이 같이 움직이는 대류와 달리 복사는 전자기파를 통해서 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 에너지가 전달된다. 에너지를 전달하는 전자기파의 특성에 따라 비전리 복사(nonionizing radiation) - 전파, 단파, 적외선, 가시광선, 자외선 복사 또는 전리 복사(ionizing radiation) - X선, 감마선 복사 등으로 분류된다. 오스트리아의 물리학자 슈테판은 1879년 흑체(blackbody)가 방출하는 복사에너지의 총량을 측정하여 복사에너지는 절대온도의 4승에 비례한다는 것을 실험적으로 구하였고 이를 1884년 볼츠만이 열역학을 이용하여 이론적으로 증명하였다. 이를 슈테판-볼츠만의 법칙이라고 한다. 한편 독일의 물리학자 빈은 1893년 복사체에서 방출하는 여러 복사선 중에 에너지가 가장 큰 복사선의 파장은 표면 온도에 반비례한다는 빈의 변위법칙을 증명하였다. 복사현상은 매질과 관계없이 발생하므로 진공 속에서도 발생하게 된다. 따라서 복사에 의한 열의 이동을 막기 위해서는 물체의 표면에서 전자기파의 흡수 및 방출을 차단해야 한다. 아래 그림과 같이 보온병은 내부 진공층의 표면을 은색으로 칠한다. 은색에서는 전자기파의 흡수보다 반사가 많으므로 복사에 의한 열전달을 줄일 수 있다.

반대로 검은 표면은 전자기파를 잘 흡수하고 잘 방출한다. 따라서 주택의 지붕이나 외투를 검은색으로 하게 되면 여름에는 태양 에너지를 더 많이 흡수하고 겨울에는 더 많은 열을 잃게 되므로 미(美)적 효과를 배제하고 에너지 절약 효과만을 고려한다면 좋지 않다. 여름에 서늘하고 겨울에 따뜻하게 하기 위해서는 은색 또는 옅은 색이 좋다.