단열은 말 그대로 열을 차단하는 것이다.
에너지 절감을 위해서는 필수적인 것이다.
단열을 하기 위해서는 열의 움직임을 알아야 한다.
열이 움직이고 전달되는 방법은 전도와 대류, 복사가 있다.
추운 겨울 야외에 설치된 텐트 안에서 장작불을 피고 옹기종기 앉아서 고기를 구워먹는 상상을 하면 열의 이동에 대해 쉽게 이해할 수 있다.
장작불 위에 철판을 놓고 고기를 구울 때 불에서 철판으로 열이 직접 옮겨가는 것이 전도, 즉 열전도다.
장작불에서 나온 열기가 텐트안의 공기를 데워서 밑에서부터 위로 옮겨가며 텐트 안 전체가 따뜻하게 되는 원리가 대류다.
마지막으로 장작불 주변에서 손을 가까이 대고 있으면서 추위를 녹이는 것이 복사, 즉 복사열이다.
<열전도[heat conduction ,熱傳導]>
고온에서 저온으로 연속적으로 전달되는 진동 에너지
열전도는 열에너지가 물질의 이동을 수반하지 않고 고온부에서 저온부로 연속적으로 전달되는 현상이다.
열역학 2법칙인 열에너지는 반드시 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다는 원리이다.
또 온도 차이가 있는 물체를 접촉시킬 경우 높은 온도의 물체와 낮은 온도의 물체가 결국에는 온도가 같아지는 현상인 열역학 0법칙의 원리(열적 평형상태)가 적용된다.
액체나 기체 내부의 열 이동은 주로 대류에 의한 것이지만, 고체 내부는 주로 열전도에 의해서 열이 이동한다.
물질의 종류에 따라 전도되는 속도가 크게 다르므로 이를 열전도율로 표시하여 나타낸다.
열전도의 좋은 예는 금속막대의 한쪽 끝을 가열하면 가열되는 부분부터 차례대로 뜨거워지는 경우다.
또 온도가 다른 물체를 서로 접촉시켜 열 이동이 일어나는 경우다.
금속의 한쪽 끝을 가열하면 가열된 부분의 원자들은 에너지를 얻어 진동하게 된다.
이런 진동이 차례로 옆의 원자를 진동시켜 열전도가 일어난다.
열전도에 의해 물체 내부에서 열이 전달되는 속도는 물질 종류에 따라 큰 차이가 있다.
구리나 철과 같은 도체인 경우에는 열이 매우 빠르게 전달된다.
반면에 황이나 플라스틱과 같은 절연체인 물질의 경우에는 느리게 전달된다.
최근 익숙한 단어인 반도체는 도체와 부도체의 중간 형태로 평상시는 부도체의 형태로 있다가 외부의 조작이나 자극에 의해 도체형태를 띄는 물질이다.
액체와 기체는 고체에 비해 열전도가 매우 느리고 그 일부에 가해진 열을 전체에 확산시키기 어렵다.
주택의 이중창은 창문과 창문 사이에 공기라는 열 절연체를 사용한 것이다.
기체의 경우에는 고체와 액체와는 완전히 다른 작용원리를 가진다.
서로 다른 온도를 가지는 2개 기체층 경계에서 서로 운동에너지를 교환함으로써 열이 전달된다.
이 확산과정이 느리기 때문에 기체의 열전도도는 다른 상태보다 매우 낮은 값을 갖는다.
금속인 프라이팬은 열전도도가 높아 플라스틱 성분의 절연체로 손잡이를 만들어 데워진 프라이팬의 열전도를 막는 것이다.
거의 모든 물질은 열이 전달되는 속도가 다르다.
이것을 수치로 나타내는 것을 그 물질의 열전도도라고 한다.
두께 1㎝의 물질층 양면에 1℃의 온도 차를 두었을 때, 그 층의 1㎠의 넓이를 1초 사이에 통과하는 열량을 사용한다.
일반적으로 열전도도는 온도에 따라 다소 달라지는데, 물질 종류에 따라 거의 정해진 값을 가지는 물질상수로 보아도 좋다.
금속의 한쪽 끝을 가열하면 가열 부분의 원자와 전자들은 에너지를 얻어 진동하게 되며, 이런 진동이 차례로 옆의 원자와 전자를 진동시켜 열전도가 일어난다.
즉, 열에 의해 국소적으로 발생한 원자·분자의 진동이 표면에서 반사되어 정상파를 만들며, 정상파 전체의 에너지가 균일하게 내부에너지를 높이는 작용원리에 의해 열을 전달한다.
그래서 금속막대의 한쪽 끝을 잡고 다른 한쪽을 가열하면 잡고 있던 부분이 뜨거워진다.
금속과 같은 자유전자를 가지지 않는 유전체(절연체)의 경우는 진동 파동의 전달이 늦어 전도도가 낮다.
금속의 열전도도와 전기전도도 사이에는 비례관계가 있으며, 1853년 G.H.비데만과 R.프란츠는 동일 온도일 때 금속의 열전도도와 전기전도도의 비는 금속 종류에 관계없이 일정한 값을 가진다는 사실을 발견하였다. 이것을 비데만-프란츠의 법칙이라고 한다.
<대류[convection,對流]>
열을 가해서 발생한 밀도 차이에 의한 유체의 이동
대류는 흐를 수 있는 물체인 유체가 부력에 의한 상하운동으로 열을 전달하는 것으로써 아랫부분이 가열되면 대류에 의해 유체 전체가 골고루 가열된다.
장작불이나 난로에서 불을 쬘 때 같은 거리여도 불 위쪽에 손을 가까이할 때 더 따뜻해지는 것을 느낄 수 있다.
이는 불 위쪽의 공기가 불로 인해 가열되어 팽창돼 주변 공기보다 가벼워져 위쪽으로 올라가 손에 닿았기 때문이다.
이처럼 열을 가해서 발생한 밀도 차이에 의해 유체의 이동이 자연스럽게 이루어져 열이 전달될 때 이를 자연대류라 한다.
온풍기 등에 의해 강제적으로 유체를 이동시켜 열을 전달하는 것을 강제대류라 한다.
자연대류는 학교 실험실에서 흔하게 하는 실험으로, 주전자에 물을 넣고 가열하면서 톱밥을 넣으면 톱밥이 밑부분 부터 양쪽 윗부분으로 올라가면서 위아래로 순환되는 것을 볼 수 있다.
가열된 아랫부분의 물은 팽창하여 밀도가 작아지고 부력에 의해 위쪽으로 밀려 올라가게 되며 위에 있던 물은 아래로 내려오게 된다.
이런 과정을 통해 주전자 안에 있는 물은 고르게 가열된다.
차가운 방이 난로에 의해 따뜻해질 때도 같은 현상이 나타난다.
난로는 방 아랫부분의 공기를 따뜻하게 하고 가열된 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, 난방기구는 낮은 데에 두는 것도 이 대류효과를 이용한 것이다.
난류나 육풍, 해풍 등 지구상에서 일어나는 대류현상도 마찬가지다.
따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 옮겨가는 현상이며 태풍 또한 뜨거운 저위도 부근에서 만들어져 차가운 고위도 방향으로 향하는 것도 같은 원리다.
<열복사[thermal radiation ,熱輻射]>
원자 집단의 열운동에 의하여 전자파를 방출하는 현상
열전달의 한 형식으로서, 물체 내부의 원자 집단의 열운동에 의하여 전자파를 방출하는 현상이다.
이 현상은 상온 혹은 저온의 물체에서도 일어나지만 온도가 높을수록 커진다.
특히 고온의 물체에서 열선을 많이 내고 공간을 통과하여 저온의 물체로 열전달을 한다.
방출되는 열량은 온도의 영향에 의할 뿐 아니라 물체의 종류에 따라서도 다르다.
복사선을 잘 흡수하는 물체일수록 스스로 복사선을 내는 작용도 강하게 일어난다.
같은 온도인 경우는 완전 흑체(표면에 입사하는 전자기파를 완전히 흡수하였다가 재방출하는 물체로 실제로는 존재하지 않는다)로부터의 열복사량이 가장 많다. 열방사라고도 한다.
그러므로 고온인 물체 부근에 저온인 물체가 있으면 저온 물체가 복사선의 일부를 흡수하여 열로 변한다.
이 열을 복사열 또는 방사열이라 한다.
난로 등의 발열체에 손을 가까이 대면 주위 공기가 따뜻하지 않아도 손이 더워지는 것은 이 때문이다.
복사에 의한 열의 전달방식은 대류나 열전도와 달라서, 주위에 열을 중개하는 물질 없이도 빛과 동일한 속도로 순간적으로 고온체로부터 저온체로 열이 전달된다.
또 빛과 마찬가지로 반사판으로 열의 방향을 바꿀 수 있는 특성이 있다.
태양과 지구 사이의 공간이 거의 진공상태인데도 대량의 태양열이 지상에 도달하는 것은 열이 복사선의 형태로 운반되기 때문이다.
밤이 되면 물체가 점점 차가워지는 이유도 태양으로부터의 열복사 대신 지상으로부터 하늘을 향해 열이 복사되기 때문이다.
물체가 복사선을 방출하고 흡수하는 정도는 물체 온도 외에 그 표면상태에 크게 영향을 받는다.
거울과 같이 매끄러운 물체에서는 복사선 대부분이 반사되지만, 물체 표면에 검은색을 칠하면 흡수율이 95%나 되므로 복사선에 의해 열을 받기 쉽다.
열복사에 의한 복사선의 세기 및 파장과 물체의 온도 사이에는 일정한 법칙이 적용되는데 각 파장에 따른 강도분포는 물체의 절대온도에 의해 결정된다.
이때 가장 센 복사선의 파장은 절대온도에 반비례하는 것으로 알려져 있다.
물체를 가열하면 처음에는 빨갛게 보이다 온도가 높아짐에 따라 하얗게 빛나는 것은 이 때문이다.
따라서 파란색으로 빛나는 별은 태양보다 훨씬 고온임을 알 수 있다.
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