열역학과 전도

열역학에서 중요하게 다루는 열전달 그 중에서 전도가 오늘의 주제입니다. 열역학이란 열과 관련된 것을 다루는 학문입니다. 열이 아무런 변화가 없다면 다루는 의미가 없겠죠. 열은 변화합니다. 정확히는 열이 전달이 되죠. 열이 전달되는 방식은 크게 전도, 대류, 복사가 있습니다. 열 전도라는 것은 인접해 있는 물체에 열을 전달하는 방식입니다. 대류와 복사와 다릅니다. 대류는 흐름으로 이동을 하는 것을 의미하고 복사는 빛이 비추어 에너지를 전달하는 것을 의미합니다. 말이 열 전도라고 하여 좀 어려운 것 같지만 일상 생활에서 흔히 접하는 현상입니다. 차가운 물건 옆에 따뜻한 물건을 붙여 놓을 경우 관찰할 수 있습니다. 차가운 물건은 온도가 올라가고 따뜻한 물건은 온도가 내려갑니다. 접촉해 있어서 열이 전도되어 발생하는 현상입니다. 차가운 물건, 따뜻한 물건이라고 하였지만 눈에 보이지 않는 공기들도 전도된다고 할 수 있습니다. 그래서 차가운 아이스 아메리카노가 미지근해지는 과정 따뜻한 차가 식는 과정 모두 전도로 설명할 수 있습니다. 음료가 컵과 접촉해서 전도가 발생하고 컵이 외부 공기와 접촉해서 전도가 발생합니다. 이 전도 과정을 막아서 온도를 유지하는 방식이 보온병입니다. 보온병 내부에 진공 상태를 만들어서 전도가 이루어지지 않게 만든 것이죠. 이렇듯 전도는 주변에서 흔히 볼 수 있는 현상입니다. 전도에 대해서 조금 더 알아보시죠. 열 전도도는 열을 전달하거나 전도하는 재료의 고유한 능력을 말합니다. 열전달 과정은 적절한 속도 방정식으로 표현할 수 있습니다. 이 열 전달의 속도 방정식은 푸리에의 열전도 법칙을 기반으로 합니다. 또한 주어진 재료의 단위 두께의 판을 통해 전도될 수 있는 단위 면적당 단위 시간당 열량으로 정의되며, 판의 면은 온도 단위가 다릅니다. 열전도율은 접촉을 통해 발생하며 물건 자체가 이동하는 것이 아닙니다. 열은 고온 및 고분자 에너지 영역에서 온도가 낮고 분자 에너지가 낮은 영역으로 온도 차에 따라 이동합니다. 전도는 열 평형에 도달할 때까지 계속됩니다. 열역학 제0법칙에 따르는 것이죠. 열이 전달되는 속도는 온도 차, 재료의 열 특성에 따라 달라집니다. 특정 재료의 열전도율은 여러 요인에 크게 좌우됩니다. 여기에는 온도 차, 재료의 특성 및 열이 따르는 경로 길이가 포함됩니다. 주변 물질의 열전도율은 공기와 같이 전도도가 낮은 물질부터 구리와 같은 전도성이 높은 금속에 이르기까지 매우 다양합니다. 재료의 열전도율에 따라 우리는 사용하는 방법을 결정할 수 있습니다. 예를 들어 열전도율이 낮은 재료는 가정과 사업체를 단열하는 데 탁월하며, 높은 열전도율 재료는 열을 한 영역에서 빠르게 효율적으로 이동해야 하는 응용 분야에 효과적입니다. 전자 장치의 조리기구 및 냉각 시스템과 같이 또 하나입니다. 용도에 적합한 열전도율을 가진 소재를 선택하여 최상의 성능을 얻을 수 있습니다. 분자 이동이 열전도율의 기초이기 때문에 재료의 온도는 열전도율에 큰 영향을 미칩니다. 분자는 더 높은 온도에서 더 빨리 이동하므로 열이 더 빠른 속도로 재료를 통해 전달됩니다. 이것은 동일한 샘플의 열전도도가 온도가 증가하거나 감소함에 따라 급격하게 변할 가능성이 있음을 의미합니다. 온도가 열 전도에 미치는 영향을 이해하는 능력은 열 스트레스를 받을 때 제품이 예상대로 동작하는지 확인하는 데 중요합니다. 이것은 전자 제품과 같이 열을 발생시키는 제품으로 작업하고 화재 및 열 보호 재료를 개발할 때 특히 중요합니다. 열전도도 값은 재료마다 크게 다르며 각 특정 재료의 구조에 따라 크게 달라집니다. 일부 재료는 열 이동 방향에 따라 열전도율 값이 다릅니다. 이들은 이방성 재료입니다. 이 경우 구조가 배열되는 방식으로 인해 열이 특정 방향으로 더 쉽게 이동합니다. 열전도도 경향을 말할 때 재료는 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 가스, 비금속 고체와 금속 고체. 열 전달 측면에서 이 세 가지 범주의 다른 능력은 구조와 분자 이동의 차이에 기인합니다. 기체는 분자가 고체처럼 촘촘하지 않기 때문에 상대적인 열전도율이 낮으므로 열 전달은 분자의 자유 이동과 분자 속도에 크게 의존합니다. 가스는 효율이 낮은 열 전달 물질입니다. 대조적으로 비금속 고체의 분자는 격자 네트워크에 결합되므로 열전도도는 주로 이러한 격자의 진동을 통해 발생합니다. 가스의 분자와 비교하여 이러한 분자가 가깝다는 것은 비금속 고체가 둘 중 더 높은 열 전도도를 가진다는 뜻입니다. 이러한 변화는 부분적으로 고체 내에 존재하는 공기의 양에 기인하며, 많은 수의 공기 공간이 있는 재료는 우수한 절연체이며, 더 밀집된 재료는 더 높은 열전도율 값을 갖습니다. 금속 고체의 열전도도는 앞서 말한 예와 다릅니다. 금속은 그래핀을 제외한 모든 재료 중 가장 높은 열전도율을 가지며 열전도도와 전기 전도도를 모두 보유하는 독특한 조합을 가지고 있습니다. 이 두 속성은 동일한 분자에 의해 전달되며 두 속성 간의 관계는 비데만 프란츠 법칙에 의해 설명됩니다. 이 법칙은 특정 온도에서 전기 전도도가 열 전도도에 비례하지만 온도가 증가하면 재료의 열 전도도는 증가하고 전기 전도도는 줄어들 것임을 증명합니다. 열전도율은 재료 간 관계의 중요한 구성 요소이며 이를 이해하는 능력은 우리가 삶의 모든 측면에서 사용하는 재료에서 최고의 성능을 얻을 수 있도록 합니다. 효과적인 열전도율 테스트 및 측정은 이러한 노력에 매우 중요합니다. 열전도율 테스트 방법은 정상 상태 또는 과도 상태로 분류할 수 있습니다. 이 묘사는 각 방법의 작동 방식을 정의하는 특징입니다. 정상 상태 방법을 사용하려면 측정을 시작하기 전에 샘플과 기준 조각이 열 평형 상태에 있어야합니다. 임의적 실험에서는 이 규칙을 충족할 필요가 없으므로 결과를 더 빨리 도출할 수 있습니다. 열역학에서 중요한 열 전도에 대한 것을 알아보았습니다. 참고하세요.