열전도, 열전달, 열통과율의 개념과 공식 정리

열전도율, 열전달, 열통과율은 공학을 전공으로 하지 않았다면 용어가 생소하기만 합니다.

그런데 실제로는 우리의 일상과 매우 밀접한 관련이 있습니다. 지금부터 쉽게 이해할 수 있게 정리해 보겠습니다.

 

1. 열전도(Conduction)

열전도란 고온에서 저온 방향으로 분자 또는 전자의 진동, 충돌을 통해 고체 내에서 열이 이동하는 현상입니다.

차를 마실 때 티스푼으로 저으면 스푼이 금방 뜨거워지는데 이는 스푼 속 분자들이 서로 진동하며 열을 옮기기 때문입니다.

즉, 열전도율은 "재료가 열을 얼마나 잘 전달하는가?"를 표현한 것 입니다.

 

보통 금속은 열이 잘 전달되어 열전도율이 높고, 공기와 목재, 스티로폼은 열전도율이 낮아 단열재로 사용됩니다.

 

열전도율을 계산하는 공식은 위와 같습니다.

여기서 Q는 이동한 열의 양(W), k는 열전도율(W/m·k), A는 면적(m²), T₁, T₂는 양쪽의 온도 차이(K), L은 두께(m)입니다.

 

일상의 예시를 좀 더 들어보자면 냄비 손잡이를 생각해 볼 수 있습니다.

냄비의 본체는 금속이라 열이 빠르게 이동하고 뜨겁지만 손잡이는 열전도율이 낮은 플라스틱을 사용하기에 상대적으로 덜 뜨겁습니다.

또 다른 예로 일반 유리창은 겨울철에 열이 쉽게 빠져나가지만 이중 유리나 단열재를 사용하면 열전도율이 낮아져 난방비가 절약되는 것도 이와 같은 원리를 이용한 것입니다. 

 

 

2. 열전달

열전달이란 온도차 때문에 열이 이동하는 것으로 크게 전도, 대류, 복사 세 가지 방법으로 이동합니다.

각각에 대해 살펴보면 다음과 같습니다.

 

1) 전도

전도는 고체에서 물질 입자가 직접적인 진동으로 열을 전달하는 현상입니다.

그래서 앞서 살펴본 열전도의 공식과 같습니다.

 

2) 대류

대류는 액체나 기체의 입자가 직접 이동하며 열을 전달하는 현상입니다.

금속관에 고온의 유체가 흐른다고 생각해보면, 금속관이 금방 뜨거워 집니다.

이러한 현상은 대류 현상과 관련이 있습니다.

 

 

여기서 Q는 이동한 열의 양(W), h는 열전달계수(W/m²·K), A는 면적(m²), T₁, T₂는 양쪽의 온도 차이(K)입니다.

 

3) 복사

복사는 전자기파 형태로 특정 열전달 매체가 없는 상태로 열을 전달합니다.

태양을 예로 들면 공기가 없는 우주에서 지구까지 태양열이 전달되는데 이를 복사열이라 합니다.

 

여기서 ɛ은 방사율(0~1), 𝜎는 스테판-볼츠만 상수(5.67x10⁻⁸W/m²·K⁴)입니다.

 

4) 일상생활 예시

욕실의 타일바닥에 뜨거운 물을 부으면 바닥 전체가 금방 따뜻해지는데, 이는 전도와 대류 현상입니다.

에어컨이나 온풍기로 공기의 온도를 조절하는 것은 대류 현상입니다.

유리창을 통해 적외선이 복사로 열이 전달되는 현상은 복사 현상입니다.

 

3. 열통과율

벽이나 창문 등 전체 구조를 통과하는 열의 정도를 나타내는 값을 열통과율이라고 합니다.

열통과율은 아래와 같이 구할 수 있습니다.

 

여기서 U는 열통과율(W/m²·K)이고, Q는 전체 열 이동량(W), A는 면적(m²), ∆T는 온도차이(K)입니다.

또한, 열통과율 값이 작을수록 단열이 잘 된다는 의미입니다. 이는 외부 온도 변화가 실내로 덜 영향을 준다는 것을 의미합니다.

초고효율 건물, 고성능 냉동 창고, 에너지 절약형 설비 모두 열통과율이 핵심이 됩니다.

 

아파트 외벽이나 주택의 지붕의 경우 단열재 두께와 특성에 따라 열통과율이 달라지며, 겨울에 덜 춥거나 여름에 덜 더운 집을 만들 때 활용할 수 있습니다. 에어컨 실외기의 경우에도 열이 빠져나가는 경로의 열통과율에 따라 에너지 소비량이 좌우되기도 합니다.

 

4. 예제

1) 창문을 통한 열 손실

유리창의 너비가 2m², 두께  0.005m, 열전도율 0.8W/m·K, 실내와 실외의 온도차가 20℃라면,

 

2) 단열벽(스티로폼) 추가

스티로폼의 열전도율 0.03W/m·K

 

단열재를 추가함으로써 손실 열량이 약 27배 감소함을 알 수 있습니다.

 

 

5. 정리

• 열전도율 : 재료의 성질, 금속은 높고, 단열재는 낮음

• 열전달 : 전도, 대류, 복사 3가지가 있으며, 전도와 대류는 공조냉동기계 산업기사 필기 대비용으로 암기 필요

• 열통과율 : 구조 전체의 단열 성적을 나타내며 값이 낮을 수록 단열 성능 우수