과학이야기-열전도와 열전달

열전도란

열전도는 물체의 내부에너지가 물체 내에서 또는 접촉해 있는 다른 물체로 이동하는 것을 말하며, 줄여서 전도라고도 합니다. 내부에너지란 물체를 이루고 있는 미시적인 입자(원자, 전자)들의 운동에너지와 퍼텐셜에너지의 합을 말하고, 이 입자들의 불규칙한 열적 요동의 정도를 나타내는데요. 이 입자들이 위치는 바뀌지 않으면서 서로의 충돌에 의해 에너지가 한 곳에서 다른 곳으로 이동하는 것입니다. 전도는 온도의 차이에 의해 일어나게 됩니다. 전도는 기체, 액체, 고체 모두에서 일어날 수 있지만, 기체나 액체는 대류와 함께 일어나는 경우가 많습니다. 대류가 없는 경우, 기체나 액체에서는 분자들의 충돌과 느린 확산에 의해 전도가 일어나고, 고체에서는 원자들의 진동, 자유전자의 충돌에 의해 전도가 일어납니다. 기체에서는 분자들 사이가 멀어서 액체나 고체보다 충돌이 적게(약 10-10 s마다) 일어나므로 전도가 잘 일어나지 않습니다. 따라서 기체는 좋은 단열재라 할 수 있겠네요. 고체는 바로 인접한 원자들끼리 계속 함께 떨리고, 전자들의 충돌이 훨씬 잦아서(약 10-14 s마다), 전도가 잘 일어납니다. 일반적으로 열전도도는 온도에 따라 변하는데요. 물체의 크기와 모양에 따라 변하는 것을 열전도율이라 부릅니다.

열전도율

물질 열전도도 (103 W/m·K),다이아몬드 1000,은 420,구리 400,철 72,스테인레스 14,얼음 1.7,콘크리트 0.8,판유리 0.75,근육 0.46,지방 0.21,목재 0.2,가죽 0.04,공기 0.026 라고 합니다. 일반적으로 금속은 좋은 열전도체입니다. 좋은 전기 전도체는 전자가 쉽게 움직일 수 있어 좋은 열전도체입니다. 예를 들면 냄비 혹은 후라이펜 생각하시면 편하겠네요. 생체 조직은 분자 결합이 고체보다 느슨해서 열전도율이 작습니다. 특히 지방은 근육보다 열전도율이 작아서 차가운 곳에 사는 포유류는 두꺼운 지방층을 가진다고 합니다.

열전달

열전달은 두 물체 사이에서 열에너지가 이동하는 것을 말합니다. 열은 항상 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동하고 온도가 높은 곳에서 빠져나온 에너지가 온도가 낮은 곳으로 전달되는데, 이 과정에서 에너지는 보존됩니다. 두 물체의 온도가 같아지면, 더 이상 열이 이동하지 않게 되지요. 이 상태를 평형이라 부릅니다. 열이 전달되는 주 경로는 전도, 대류, 복사라고 하는데요. 뜨거운 국에 담겨 있는 숟가락의 손잡이는 전도에 의해 온도가 올라갑니다. 난로를 피우면 난로 주변의 공기가 더워지면서 위쪽으로 올라갑니다. 더워진 공기가 이동하면서 대류에 의해 방 전체가 따뜻해집니다. 태양 볕이 쬐는 곳에 있을 때 따뜻하게 느끼는 것은 태양으로부터 복사에너지가 전달되기 때문이입다. 전도는 물체를 이루고 있는 원자나 전자들의 충돌에 의해 에너지가 확산되는 과정인데요. 전도는 온도가 다른 두 물체가 접촉해 있을 때 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 일어나기도 하고, 한 물체 내에서도 온도 차이가 생기면 일어나기도 합니다. 대류는 높은 에너지를 가진 물질 자체가 이동하면서 에너지를 전달하는 과정을 말합니다. 대류는 기체나 액체에서 일어나게 되는데요. 높은 온도의 기체나 액체는 분자의 운동이 활발하고 밀도가 낮습다. 낮은 밀도의 기체나 액체가 상승하면서 위쪽으로 에너지가 전달됩니다. 복사는 열에너지를 가진 물체가 전자기파를 방출하면서 공간적으로 떨어진 곳에 에너지를 전달하는 과정입니다. 일반적으로 높은 온도를 가진 물체는 짧은 파장의 전자기파를 방출하고, 낮은 온도를 가진 물체는 긴 파장의 전자기파를 방출합니다. 표면 온도가 6000 K에 달하는 태양에서는 자외선, 가시광선, 적외선이 모두 방출됩니다. 일상생활에서 쉽게 접하는 몇백 도 정도의 물체에서는 적외선이 주로 나옵니다. 눈으로는 볼 수 없지만, 우리 피부는 적외선을 감지하여 따뜻함을 느낍니다. 열전달을 막으려면 이 세 가지 전달 방식을 모두 줄여야 합니다. 대표적인 예로 보온병인데요. 보온병은 벽을 따른 전도를 줄이기 위해 병의 벽을 얇게 만들고, 대류를 줄이기 위해 벽을 이중으로 만들고 그 사이를 진공으로 만듭니다. 이중 벽 사이의 복사를 줄이기 위해 벽을 금속으로 코팅합니다.