열 및 물질 전달(1) 전도

*열및물질전달(Heat Transfer)

- 화공기술자에 의하여 수행되는 모든 조작(Operation)은 실제 열의 형태로서 에너지를 생성하거나 흡수된다.

- 열의 전달에 관여하는 법칙과 열흐름의 제어가 주목적인 전열장치(Heat Transfer System)의 형태는 아주 중요하다.

- 서로 다른 온도의 두 물질의 열적 접촉이 되면 옅은 고온의 물질로부터 저온의 물질로 흐른다. (Net Flow).

- 열이 흐르는 원리: 1. 전도(Conduction) 2. 대류(Convection) 3. 복사(Radition)

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1. 전도

물체 내부에서 에너지가 이동하는 현상을 가리킨다.

전도의 종류는 열전도와 전기전도가 있다.

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(1) 열전도

열전도는 열에너지가 물체 내부의 고온부분에서 저온부분으로 전달되는 현상이다.

열전도는 물체간의 직접적인 접촉을 통하여 열이 전달된다. 미시적인 규모로 보면 분자들이 주변의 원자 또는 분자들과 상호작용에 의해 열(에너지)이 전달된다.

다른 열전달 현상으로는 유체 내부의 분자이동에 의해 발생하는 열대류, 매질이 없이 빛을 통해 이동하는 열복사가 있다. (대류와 복사는 다음장에서 다루도록 한다.)

열전도량은 물체의 구성 물질에 따라 다르며, 이를 나타낸 물리량이 열전도율이다.

열전도량은 물질에 열을 가할 때, 물질의 이동을 수반하거나 복사에 의해 전도되지 않은 열이 고온에서 저온으로 흐르는 양을 말한다.

 

*푸리에의 열전도도 법칙(Fourier의 법칙)

Q : 열전달률

A : 물체의 면적

T : 물체의 온도

x : 물체의 두께

따라서 열전달률은 면적과 온도에 비례두께에 반비례

 

 

*열전도율 구하는 공식

열전도율(λ) = Θio/[A(Δt/Δx)] = (Θio×dt)/[(ti-to)A] … [kcal/mh℃]
Θio : 열전도량(kcal/h)
A : 물체의 면적(㎡)
(Δt/Δx) : 수직방향의 온도구배(℃/m)
dt : 물체의 두께(m)
(ti-to) : 전열면의 온도차(℃)

 

 

금속이 열을 잘 전달하는 이유?

주로 금속 중에 은, 구리, 알루미늄과 같은 금속들이 잘 전달한다. 금속의 원자들이 결정격자를 이루고 있어 격자진동을 통해 열이 잘 전도된다. 또한 속박이 되지 않은 자유전자가 많아 전자이동으로 열이 잘 전달되기 때문이다.

최근에는 그래핀이 열전도도가 가장 큰 물질로 각광받고 있다.

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(2) 전기 전도

전기 전도는 물체 내부에서 전하가 이동하며 전류를 발생시켜 전기에너지가 전달되는 현상이다.

전기 전도가 잘되는 물체를 도체, 거의 안 되는 물체를 부도체라고 하며, 중간의 물체를 반도체라고 한다.

물체의 온도가 0K에 접근하면 물체 내부 전기 저항이 없어져 전류가 방해 없이 흐를 수 있고 이 현상을 초전도라고 한다.

좀 더 자세히 말하자면 도체의 안에 전기장이 존재하고 전하가 이동하면서 전류가 발생되는 상태가 전기전도다.

 

일반적으로 금속의 경우 온도가 상승하면 전기 전도가 감소한다. 하지만 반도체의 경우 온도가 증가하면 전기 전도가 증가한다.

*전기 전도도, 전류 밀도 공식

V : 전압 (J/C)

I : 전류 (C/s)

R : 저항 (V/A)

p : 비저항 (1/Qm)

J : 전류 밀도 (I/A)

L : 길이 (m)