열의 이동 - 전도, 대류, 복사

열의 이동 - 전도, 대류, 복사
열은 어떻게 이동할까?

 

 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 에너지로, 열이 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동할 때에는 전도, 대류, 복사와 같은 방식으로 이동한다. 이러한 열이 이동하는 방식에 대해서 알아보자.

 

<전도> - 전도의 정의, 전도를 통한 열량 이동량 구하기, 양도체/부도체

 전도란 물질 내에서 분자가의 운동 에너지가 전달됨에 따라서, 열이 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동하는 현상을 말한다. 분자 사이의 거리가 매우 짧기 때문에, 분자가 이동하는 과정에서 이웃한 분자와 충동함으로써 운동 에너지를 전달한다.

 

 전도에 의해 이동하는 열랑은 다음과 같이 구할 수 있다. 단면적 $A$, 길이 $l$인 금속 막대의 양 끝의 온도가 각각 $T_1$, $T_2$($T_1$>$T_2$)라면, 시간 $t$동안 이동한 열량 Q의 크기는

 

 

와 같다. 위 식에서 $k$는 열전도율을 나타내는 상수이며, 물질의 의 종류에 따라서 정해진다. 열전도율의 상수의 단위는 위 식으로 부터, J/m·s·K임을 알 수 있다. 양도체는 $k$의 값이 큰 물질, 즉 열전도율이 큰 물질을, 부도체는 $k$의 값이 작은 물질, 즉 열전도율이 작은 물질을 말한다.^[각주:1]

 

 한편, 위 식으로 부터, 전도되는 과정에서 이동하는 열량은 열전도율이 큰 물질일수록, 금속 막대의 단면적이 크고, 길이가 짧을수록, 시간이 오래지날수록, 온도 차이가 클수록 커진다는 것 을 알 수 있다.

 

 전도를 통해 이동하는 열량을 구하는 과정에서 금속 막대를 이용하여 사례를 든 것은 일반적으로 고체를 매개로 해서 일어나기 때문이다. 유체(액체, 기체)와 같은 경우는 이와 달리 대류를 통해서 일어난다.

 

<대류> - 대류의 정의와 사례

 대류란 구성하는 분자들이 밀도 차이에 의해 순환하는 과정에서 열이 이동하는 현상을 말하며, 주로 유체(액체, 기체)에서 일어난다. 대표적인 예로 지구 시스템에서 해류의 대순환(액체)과 대기의 대순환(기체)를 들 수 있다.

 

<복사> - 복사의 정의, 흑체, 슈테판-볼츠만의 법칙

 복사란 열이 중간 매질 없이 공간을 직접 이동하는 현상을 말하며, 복사 에너지란 복사를 통해 전달되는 열 에너지를 말한다.

 

 복사가 되는 정도는 물체의 표면의 성질과 온도에 따라서 달라져서, 복잡한 양상이 나타난다. 항상 복사 에너지를 완전히 흡수하는 물질을 가정하면, 열현상을 보다 쉽게 연구할 수 있다. 이런 이유로 가정한 물체가 흑체이다.

 

 흑체란 복사에너지를 완전히 흡수하는 물체이고, 흑체복사란 흑체에서 나타내는 복사를 말한다. 슈테판-볼츠만 법칙은 흑체복사에서 표면의 단면적에서 단위 시간 동안 방출하는 복사 에너지 E와 절대 온도 사이에

 

 

와 같은 간단한 관계가 있음을 나타내는 법칙이다. 여기서 σ는 슈테판-볼츠만 상수이다.

 

 이로써, 열이 온도가 높은 데에서 낮은 데로 이동하는 과정에서 전도, 대류, 복사의 과정을 통해서 이동한다는 사실과 그와 관련된 여러 가지 원리를 알아보았다.

 

 

1. [참고] '양도체/부도체'의 개념은 열의 이동에 관해서뿐만 아니라, 전기의 이동에 관해서도 사용된다. [본문으로]