열역학과 대류

열역학에서 중요한 열 전달 그 중에서 대류에 집중한 포스팅입니다. 열역학에서 열 전달은 매우 중요합니다. 열역학이라는 것이 열의 변화에 따라서 바뀌는 현상을 다루는 학문입니다. 열의 변화가 없다면 학문적으로 다룰 의미가 없는 것이죠. 열의 변화라는 것이 바로 열 전달로 발생합니다. 그 발생되는 유형이 세 가지가 있습니다. 바로 복사, 전도, 대류입니다. 복사라는 것은 빛이 비춰서 열이 전달되는 것을 말합니다. 전도는 인접한 물체가 있을 경우에 해당합니다. 직접 닿아 있어서 열을 전달하는 방식이 바로 전도입니다. 대류는 빛이 비추어 열을 전달하는 것도 아니고 인접한 물체에 닿아서 열을 전달하는 것도 아닙니다. 바로 공기의 흐름이 열의 전달되는 것을 말합니다. 대류라는 것이 중요한 이유가 있습니다. 바로 일상 생활에서 아주 흔하게 볼 수 있는 현상이기 때문입니다. 그리고 이것을 잘 다루어야 우리가 윤택한 생활을 누릴 수 있습니다. 대류라는 것은 공기 흐름으로 인해서 열이 전달되는 현상이라고 말씀드렸습니다. 이런 것을 어디에서 볼 수 있을까요? 바로 여름철에 볼 수 있는 선풍기, 에어컨이 그러한 예입니다. 차가운 공기를 불어넣어서 시원하게 만들어주는 것이죠. 대류라는 것은 자연 대류도 있습니다. 온도차에 의해서 공기가 자연적으로 섞이는 현상입니다. 이것을 어디에서 느낄 수 있을까요? 바로 목욕탕 사우나에서 느낄 수 있습니다. 무엇인가 느끼려면 극명한 차이가 있다면 느끼기가 쉽습니다. 목욕탕 사우나는 왜 이런 온도차에 의한 공기흐름을 느낄 수 있을까요? 바로 대부분 뜨거운 공기인 상태입니다. 그러니 상대적으로 시원한 공기가 있다면 바로 알아차릴 수 있습니다. 그러나 그 환경에 오래 노출되어 있다면 느끼기 어렵습니다. 이미 몸이 익숙해졌기 때문이죠. 뜨거운 사우나에서 공기 흐름을 느끼려면 어떻게 알 수 있을까요? 바로 사우나 바닥에 누우면 됩니다. 그러면 그 뜨거운 사우나에서 잠시나마 천국을 맛볼 수 있습니다. 엄청난 사우나인데 바닥은 상대적으로 시원합니다. 왜 그럴까요? 자연 대류 때문에 그렇습니다. 차가운 공기는 자연히 바닥으로 깔리게 됩니다. 그러니 사우나는 위쪽은 더운 공기가 바닥은 차가운 공기가 있는 상태입니다. 아까도 말씀드렸듯이 눕자 마자 매우 시원하지만 한동안 익숙해진 후에는 바닥도 참기 힘들어집니다. 그렇다고 다시 일어서면 더 힘들어집니다. 위쪽 공기는 바닥보다 더 뜨겁기 때문이죠. 일상 생활에서 느낄 수 있는 자연 대류입니다. 지금까지 설명은 모두 공기로 말하였습니다. 그래서 열 대류 현상이란 것이 공기에만 국한된 것이라고 생각하실 수 있겠지만 사실 흐를 수 있는 유체도 해당합니다. 물에서도 같은 것을 느낄 수 있습니다. 물에서도 차가운 물은 아래로 내려가고 상대적으로 따뜻한 물이 위쪽으로 올라갑니다. 이렇듯 순환이 발생합니다. 이 열 대류 현상은 아주 중요합니다. 더운 여름에 우리를 시원하게 해주는 것 때문에 중요하기도 하지만 사람이 열을 다룰 때 상대적으로 쉽게 다룰 수 있기 때문입니다. 예를 들어 전도의 경우 인접한 물체가 닿아 있는 경우 열을 전달하게 됩니다. 물론 두 물체를 떼어놓으면 됩니다. 하지만 어떤 목적으로 인해 두 물체를 떨어뜨릴 수 없는 경우가 있습니다. 그 물체는 꼭 붙어있어야 하지만 온도는 올라가면 안 된다. 이렇게 되면 아주 난감한 상황이 발생하게 됩니다. 이럴 때 해결할 수 있는 방법이 바로 대류에 의한 해결입니다. 차가운 바람을 그 주변부에 불어서 식혀주는 것이죠. 좀 그럴 듯하게 설명해서 생소하실 수도 있을 겁니다. 그냥 흔히 보는 전자제품에 들어있는 팬을 말하는 겁니다. 물론 자동차와 같이 냉각수가 흘러서 뜨거운 곳을 지나며 식혀주는 것도 있을 수 있습니다. 그러기 위해서는 물이 흐를 수 있는 시스템을 만들어야 합니다. 정밀한 시스템이라면 당연히 물도 들어가면 안 되겠죠. 공기는 대부분 어디에 들어가도 큰 문제를 일으키지 않습니다. 그래서 팬으로 열이 문제가 되는 부위에 불어넣어 주기만 하면 되는 것이죠. 아주 편리한 방법입니다. 부작용도 상대적으로 적습니다. 아주 없다는 이야기는 아닙니다. 제품 특성을 고려해야 합니다. 바람을 불어넣으면 안 되는 부위도 있습니다. 이렇게 자연적으로 발생하든 인위적으로 발생하든 대류라는 것은 아주 중요합니다. 열역학 입장에서 보면 열의 흐름 파악해서 열을 낮출 수도 있는 아주 중요한 현상이죠. 흔히 접할 수 있는 대류 현상으로 대기의 대류가 있습니다. 미세먼지가 안 좋은 날이 있습니다. 미세먼지를 발생시키는 원인이 근본적인 문제입니다. 하지만 시간이 지나면 공기의 대류 현상으로 자연히 미세먼지 농도가 떨어지게 됩니다. 하지만 공기의 대류가 상대적으로 없는 날이 있습니다. 그럴 때는 정체되어 있는 미세먼지가 흩어지지 않고 긴 시간동안 같은 곳에 머물게 됩니다. 그럴 경우 미세먼지 농도가 떨어지지 않게 됩니다. 다음 번에는 제품에 적용되는 열 대류로 어떻게 제품에 열을 제어하는지 알아보겠습니다. 열 대류는 우리에게 아주 큰 영향을 주고 고마운 현상입니다. 앞으로 이런 대류를 보면 어떤 역할을 하는지 어떤 이점이 있는지 다시 한번 생각해보면 좋을 듯합니다. 이 원리를 이해하고 있으면 생활에서 다양한 분야에 접목할 수 있다고 생각합니다. 열역학의 열 전달 그 중에서 열 대류로 이야기를 시작했지만 이 현상은 한 가지에 국한된 것이 아닙니다. 이렇듯 한 가지씩 어떤 현상을 이해하게 되면 세상을 보는 시야가 넓어질 수 있다고 생각합니다. 도움이 되길 바랍니다.