열, 熱, Heat, 에너지 전달 형태, 열전도, 열대류, 열복사
물리학에서 열(熱)은 에너지가 전달되는 방식의 하나로서 일(work)과 대비된다. 즉 어떤 계(system)에서 에너지가 다른 계로 전달되는 방식에는 일과 열의 두 가지가 있는데, 이 중 외부의 변수와 관계없는 에너지의 전달을 열이라 한다.
물리학을 배운 사람들도 열을 에너지의 한 형태라고 생각하는 경우가 많은데, 이는 대표적인 오개념이다. 열은 에너지가 아니라, 에너지의 전달 형태를 말하는 것이다. 일반적으로 두 계 사이에서 에너지는 일 또는 열의 형태로 전달되는데, 어떤 계가 일을 받으면 그 운동에너지가 늘어나듯이, 열을 받으면 그 내부에너지가 늘어난다. 이때 내부에너지를 열에너지라고도 한다. 즉 열에너지는 에너지이지만, 열은 에너지가 아니다. 한편 열의 이동 방법에는 열전도, 열대류, 열복사의 3가지가 있다.
반면 일상 생활에서는 흔히 "온도가 높음"의 뜻으로 많이 쓰인다.
열역학 제1법칙은 닫힌계의 에너지는 보존된다는 것이다. 그러므로 계의 에너지를 변화시키기 위해서는 에너지가 계로부터 다른 계로 또는 다른 계에서 계로 이동되어야 한다. 계의 질량이 일정할 때, 에너지를 이동시킬 수 있는 단 두 개의 메커니즘은 열과 일이다. 열은 온도의 변화로 인해 발생하는 에너지의 이동이다. 열에 의해 이동되는 에너지의 양을 나타내는 SI단위로 J(줄)이며, Btu(British Thermal Unit) 또는 cal(칼로리)도 때때로 사용된다. 에너지 이동의 비율을 나타내는 단위는 W(와트)이다.
열의 이동은 경로 함수(상태 함수와 반대되는 개념)이다. 열은 서로 평형상태가 아닌 계들 사이에서 흐르며, 자발적으로 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐른다. 온도가 다른 두 물체가 열적 접촉을 하면 그들은 서로 온도가 동일해질 때까지, 즉 열적평형상태에 이를 때까지 내부에너지를 교환한다. '뜨겁다'라는 형용사는 물체의 온도를 주위(또는 '뜨겁다'라는 말을 하는 사람)의 온도와 비교하여 나타내는 상대적인 용어로 사용된다. '열'이라는 용어는 에너지의 흐름을 묘사하기 위해 사용된다. 역학적 상호작용이 없을 때에는, 물체로 이동하는 열은 내부에너지의 형태로 물체에 저장된다.
비열은 물질의 온도를 1도 올리기 위해 계로부터 또는 계로 이동되어야 하는 단위질량당 에너지의 양으로 정의된다. 순수한 물질이 한 상태로부터 다른 상태로 변화할 때에는 온도의 변화 없이 열을 흡수하거나 방출한다.(상태변화) 상태변화하는 동안 열이 이동하는 양은 숨은열 또는 잠열로 알려져 있으며, 이는 물질과 그 상태에 따라 다르다.
열과 열에너지
'열에너지'라는 용어는 종종 열이라는 용어와 혼동하여 사용된다. 하지만 둘은 다르다. 열은 에너지의 전달 방식 중의 하나이고, 열에너지는 어떤 계(system)가 가진 내부 에너지를 말한다. 어떤 계가 열을 받으면, 그 계의 열에너지(내부 에너지)는 증가하고, 열이 제거되면 그 계의 열에너지는 감소한다. 뜨거운 물체는 많은 양의 열에너지를 소유하고 있다고 말할 수 있지만, 많은 양의 열을 소유하고 있다고 말할 수는 없다. 즉 물체는 '에너지'를 가질 수는 있어도, '열'을 가질 수는 없는 것이다. 이러한 점 때문에 물리학에서는 열에너지라는 용어보다는 "내부에너지"라는 용어가 자주 사용되고, 선호된다.
열전달 메커니즘
열은 온도가 높은 지역에서 온도가 낮은 지역으로 이동하려는 경향이 있다. 이러한 열 전달은 전도와 복사의 매커니즘에 의해 일어난다. 공학에서는 전도와 유체 흐름의 복합적인 효과를 설명하기 위해 "대류"라는 용어가 사용된다. 대류는 열전달의 세 번째 메커니즘으로 여겨진다.
전도
열전도. 에너지가 열의 형태로 고온 TH의 열저장고에서 저온 TC의 열저장고로, 두께가 L이고 열전도도가 k인 판을 통해 전달된다
전도는 고체에서 열의 전달이 일어나는 가장 중요한 형태이다. 미시적인 관점에서 볼 때, 전도는 뜨겁고, 빠르게 운동하거나 진동하고 있는 원자, 분자들이 인접해있는 원자, 분자들과 상호작용하면서 이들 이웃 원자들에게 그들의 에너지(열)의 일부를 전달하는 방식으로 일어난다. 즉 전도는 물체 속에서 열이 순차적으로 전달되어 가는 현상을 말한다. 전도에 의한 열의 전달속도는 물체 단위길이당 온도차에 비례하며, 물체의 재질에 따라 달라진다. 면적이 A이고 두께가 L인 판의 양면의 온도가, 한 면은 뜨거운 열저장고에 의해 TH로, 나머지 한 면은 차가운 열저장고에 의해 Tc로 일정하게 유지될 때, 단위 시간당 전달되는 에너지양, 즉 전도율Pcond는
이다. 여기서 k는 열전도도로 물질에 따라 달라지는 상수이며 에너지를 빨리 전달하는 좋은 열전도체는 k값이 크다.
대류
대류는 액체와 기체 내에서 일어나는 열 전달의 주된 형태이다. 대류라는 용어는 전도와 유체 흐름의 복합적인 효과의 성격을 나타내기 위해 사용하는 용어이다. 일반적으로 온도가 상승하면 밀도가 감소한다. 따라서 물이 가열될 때 냄비 바닥에 있는 뜨거운 물은 위로 올라가고, 상대적으로 차갑고 밀도가 큰 액체는 아래로 내려간다. 이러한 혼합과 전도의 결과 거의 동일한 밀도와 온도가 된다. 대류는 일반적으로 두 가지 방식으로 구별된다. 중력과 부력에 의해 유체의 운동이 야기되는 자유대류와 유체를 움직이기 위해 선풍기나 교반기 등의 도구를 사용하는 강제대류로 구분된다. 부력 대류는 중력에 의한 현상이므로 중력이 거의 없는 환경에서는 일어나지 않는다.
복사
빨갛게 달군 뜨거운 철기구의 열이 복사를 통해 주변 환경에 전달되고 있다.
복사는 유일하게 매질이 없는 상황에서도 일어날 수 있는 열전달의 형태이다. 따라서 복사는 진공에서 열전달이 일어날 수 있는 유일한 방법이다. 열적 복사는 물질 속의 원자들과 분자들의 운동 때문에 나타나는 직접적인 결과이다. 이러한 원자들과 분자들이 전하를 띠고 있는 입자들(양성자와 전자)로 이루어져 있기 때문에, 그들의 운동은 전자기 방사선을 방출하고 이것은 표면의 에너지를 바깥으로 이동시킨다. 동시에, 표면도 끊임없이 표면으로 에너지를 전달하는, 주위로부터의 복사에 의해 영향을 받는다. 온도가 상승함에 따라 방출되는 복사의 양도 증가하기 때문에 결과적으로 온도가 더 높은 곳에서 더 낮은 곳으로 에너지가 전달되는 결과가 나타난다. 물체가 전자기 복사로 단위시간당 에너지를 내놓는 비율 Prad는 물체의 표면적이 A이고, 그 면의 절대온도가 T일 때
으로 주어진다.
은 슈테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 상수이고,
은 물체 표면의 방출률로 0과 1 사이의 값을 갖는다.
1. `열(Heat)`의 의미
ㅇ 에너지 이동
- 온도 차에 의해 전달되는 에너지의 한 형태
. 즉, 온도 차이가 존재함으로써 만 열이 성립됨
.. 결국, 열이란? 이동하는 에너지 (Energy in transit) 형태임
* 열역학적 계의 경계에서 만 식별 가능한 에너지 형태
. 즉, 열을 품고있다/담고있다는 표현은 과학적으로 부적절한 표현임
.. 결국, 에너지가 열의 형태로 이동한 후, 물체에 내부에너지 형태로 저장되는 것임
* 즉, 열은,
. 경계에서 만 관찰 가능한, 이동하는 에너지 임
.. 온도차에 의해 전달되는 에너지 이동
ㅇ 또한, 내부에너지의 변화 수단
- 역학적 힘/운동 없이, 순전히 열의 전달 만으로,
. 계의 내부에너지를 변화시킬 수 있는 수단 임
- 이를 분자 수준에서 볼 때, 분자 운동 에너지의 척도 임
2. (열 에너지의 이동) : 이동하는 에너지/에너지 이동 또는 전이 (Energy in transit)
ㅇ 온도차에 의해 전달되는 에너지 이동 => 열(Heat)
- 열 전달 (Heat Transfer) 이란? : 온도 차이 및 열 복사에 의한 열 에너지의 이동현상
. 열전달 (Heat Transfer)의 3가지 형태(대류,복사,전도)
.. 열 대류 (Heat Convection) : 유체 자체의 움직임에 의함
.. 열 복사 (Heat Radiation) : 전자기파 전파에 의한 열 전달
.. 열 전도 (Heat Conduction) : 입자 간 상호작용의 결과
ㅇ 역학적 운동시 전달되는 에너지 이동 => 일(Work)
3. (열의 양적인 척도) : 열량 (Quantity of Heat) = 열 에너지 변화량 = 열 에너지 량
ㅇ 열량 Q = n x C x △T
- (구성 항목) : n 몰수, C 몰 열용량, △T 온도변화
- (비례 관계) : 열량 ∝ (물질의 열용량 n x C) 및 (온도 차이 △T)
. 여기서, 열용량(C) 의존 요소는, 물질의 크기(질량 M) 및 종류(비열 c) 임
.. 즉, C ∝ M x c
ㅇ 열(또는, 열량)의 단위
- SI 단위 : [J] (열이 에너지의 전달 형태로써 정의되는 단위)
. 만일, 시간 당 열의 이동을 고려하면, => [J/s] 또는 [kW] : 일률
- 기타 단위 (칼로리) : [cal] (단위 질량 당 물의 온도 변화에 기초를 둔 단위)
. 1 [cal] : 물 1 [g 또는 ㎤]의 온도를 1 [℃] 올리는데 필요한 열량
.. 물 1 [g]을 1 [atm]에서 14.5 에서 15.5 [℃]로 1 [℃] 올리는 데 필요한 열량
. 이러한 [cal] 단위는, 열을 품고있는 함량의 의미가 강함 ☞ 열의 일당량 참조
.. 에너지 변화/이동 수단으로써의 열(熱)과는 다른 관점이나, 관례적으로 쓰임
. (주로, 식품 에너지의 함량 단위)
* 1 [cal] = 4.186 [J], 1 [kWh] = 3.60x106 [J]
. 식품/영양학에서는 1 [Cal] (= 1000 [cal] = 1 [kcal])으로 주로 표기하여 씀
ㅇ 열의 부호
- 계로 들어오는 열 전달 : 양수(+)
- 계에서 나가는 열 전달 : 음수(-)
4. [참고사항]
ㅇ (열의 측정)
- 직접적으로 열을 측정할 수 없고, 오직 온도 변화를 측정하고, 이를 통해 열량을 계산함
. ☞ 열량계법, 열용량, 비열 참조
ㅇ (열의 가열)
- 도선에 전류가 흐를 때 가열에 관한 것 ☞ 줄 열(Joule Heating) 참조
ㅇ (열의 전달) ☞ 열 전달 참조
ㅇ (열의 평형)
- 온도가 계의 전체에 걸쳐 일정함 (순 열전달 없음) ☞ 열 평형 (Thermal Equilibrium) 참조
ㅇ (열적 성질의 파라미터 例)
- 열용량, 비열, 열전도율, 열팽창계수 등