【물리학 - 열역학】 05. 열에너지 흐름(열류)

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열에너지 흐름(열류, 熱流): 열에너지가 어떤 물질에서 다른 물질로 흐르는 현상, 정량적으로는 단위 시간당 이동하는 열량으로 측정한다.

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열에너지의 이동은 크게 세 가지 방식[그림 1]으로 일어난다.

1. 전도(conduction): 고체 물질의 내부에서 발생하는 열에너지의 이동으로 물질 입자들 간의 직접적인 충돌로 에너지가 전달된다.
2. 대류(convection): 공기나 물과 같이 고체보다 자유롭게 움직일 수 있는 유체를 매개로, 위치적으로 따뜻한 유체는 위로 올라가고 차가워진 유체는 아래로 내려가는 식으로 '순환'을 통해 에너지가 전달된다.
3. 복사(radiation): 물질 매개 대신 전자기파의 형태로 열에너지가 전달되는 방식

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그림 1. 열의 세 가지 흐름 방식 [출처: University Physics for the Life Sciences (Knight, Jones, and Field, 2022)]

 

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열류의 기본 수식은 다음과 같다.

 

<물리량>

• H: 열류(열의 흐름량)
• Q: 열에너지
• t: 열에너지가 흐른 시간

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열에너지

Heat Energy

 

'열'과 '열에너지'는 매우 혼동되어 사용된다. 그러나 둘은 엄연히 다른 개념으로, (1)열은 일(work)과 같이 에너지를 전달하는 방식을 뜻하고, (2)열에너지는 어떤 계(system)가 갖는 내부에너지를 뜻한다.

• 어떤 계가 열을 받으면 그 계의 열에너지는 증가한다.
• 어떤 계가 열을 주면 그 계의 열에너지는 감소한다.
• 열은 열에너지가 높은 계에서 낮은 계로 작용하며, 두 계의 열에너지가 같아질 때까지 열이 발생한다.

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열에너지는 내부에너지(internal energy)라고도 불리며, 물질계에서는 물질의 작은 입자들의 운동 정도[그림 2]와 관련이 있다.

• 뜨거운 물체일수록 그 물체의 내부에너지는 높으며, 물질 내 입자의 운동이 활발하다.
• 차가운 물체일수록 그 물체의 내부에너지는 낮으며, 물질 내 입자의 운동이 둔하다.

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그림 2. 온도에 따른 내부에너지

 

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물질 내의 입자의 운동은 매우 다양한 유형(병진운동, 회전운동, 진동운동 등)이 있고, 또한 시간에 따라 그 유형이 무수히 변하므로, 직접적으로 내부에너지를 측정하는 것은 무의미하다. 단 내부에너지 자체를 U로 표현하면, U는 온도 T와 정비례한다.

 

열전달 Vs. 열역학

Heat Transfer Vs. Thermodynamics

 

앞선 열에너지에서 우리는 물체의 온도에 따라 열의 주고 받음 방향이 달라짐을 공부했다.

1. 물체의 온도가 높은 것에서 낮은 것으로 열에너지가 이동한다.
2. 두 물체의 온도가 다를 경우, 두 물체의 온도가 같아질 때까지 열이 발생한다.
3. 두 물체의 온도를 내부에너지 차원에서 생각하면 그 에너지의 변화량을 구할 수 있다.

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열역학은 두 물체의 온도가 다를 때 열의 발생 여부와 평형 상태에서의 에너지 변화량에만 관심을 둔다. 반면 열전달은 열이 발생했을 때의 시간에 따른 동적 변화를 다룬다.

• 열전달은 물질의 초기 온도 뿐만 아니라 평형 직전의 다양한 온도 수치에도 관심을 갖는다.
• 열전달은 최종 평형상태에 걸리는 시간을 예측할 수 있다. cf. 열역학은 초기 상태와 최종 상태에'만' 관심을 갖는다.

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열전달(heat transfer): 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열에너지가 이동하는 현상 또는 그것을 정량적으로 탐구하는 세부분야

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다음 챕터에서 열전달과 관련된 세 가지 현상(전도, 대류, 복사)에 대해 자세히 알아본다.