전도
전도는 물질이 움직이지 않은 채 분자 충돌이나 자유전자를 통해 열이 높은 온도에서 낮은 온도로 전해지는 방식이에요. 푸리에(1822)가 정식화한 푸리에 법칙에 따르면 열유속은 온도 기울기에 비례해요(q = −k·dT/dx). 비례상수 k는 열전도율로, 금속은 크고 공기·단열재는 작아요. 겨울에 금속 손잡이가 나무보다 차갑게 느껴지는 이유예요.
대류
대류는 유체(액체·기체)의 흐름이 열을 실어 나르는 방식이에요. 고체 표면과 유체 사이의 열전달은 뉴턴 냉각 법칙 q = h(Ts − T∞)으로 나타내며, h는 대류 열전달계수예요.
- 자연대류: 데워진 유체가 밀도 차이로 떠오르며 생기는 흐름(냄비 속 물, 난방기 주변 공기).
- 강제대류: 팬이나 펌프가 유체를 움직이는 경우(선풍기, 컴퓨터 냉각). 일반적으로 h가 더 커요.
복사
복사는 모든 물체가 온도에 따라 방출하는 전자기파로 열이 전해지는 방식이라 매질이 없어도 일어나요. 흑체가 방출하는 에너지는 절대온도의 네제곱에 비례하는데(슈테판-볼츠만 법칙), 실제 표면은 방사율 ε(0~1)을 곱해 q = εσT⁴로 계산해요. 태양열이 진공의 우주를 지나 지구에 도달하는 것이 대표적 예예요.
열저항과 복합 열전달
실제 문제에서는 세 방식이 함께 일어나요. 벽을 통한 열손실처럼 정상상태 1차원 전도는 전기회로처럼 열저항(R = L/kA)으로 다룰 수 있고, 여러 층과 표면 대류 저항을 직렬로 더해 전체 열흐름을 구해요. 보온병은 진공층(전도·대류 차단)과 은도금(복사 차단)으로 세 방식을 모두 줄이는 장치예요.
관련 개념
열전달은 에너지 보존과 엔트로피를 다루는 열역학 법칙을 바탕으로 하되, 이동 속도를 다룬다는 점에서 구별돼요. 뜨거운 물이 먼저 언다는 음펨바 효과의 여러 설명도 증발, 대류, 용기 접촉 같은 열전달 조건의 차이에 주목해요.
캠퍼스다운 자료실에는 이 이론을 다룬 자료도 있어요: 「뜨거운 물과 찬물 중 무엇이 먼저 얼까, 음펨바 효과의 원인 분석: 1969년 재발견, 대류와 용존 기체 가설, 열역학 해석」, 「고온의 물이 먼저 어는 이유, 음펨바 효과 탐구 발표자료: 가설과 관련이론, 열역학 접근, 대류 결론」, 「음펨바 효과 요약 발표자료: 고온의 물이 저온의 물보다 먼저 어는 현상과 불순물 가설, 결론」.
이 이론을 다룬 레포트·발표 자료는 캠퍼스다운 자료실의 '열전달' 레포트 검색에서 찾아볼 수 있어요.
관련 문서: 끓는점과 압력, 자동차 조명 기술 (LED·레이저 헤드램프)
참고문헌
- Fourier, J. (1822). Théorie analytique de la chaleur. Paris: Firmin Didot.
- Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Bergman, T. L., & Lavine, A. S. (2007). Fundamentals of heat and mass transfer (6th ed.). Hoboken, NJ: Wiley.
- Callen, H. B. (1985). Thermodynamics and an introduction to thermostatistics (2nd ed.). New York: Wiley.