1. 전도에 의한 열전달의 정의
나무 의자에 앉으면 의자 표면이 따뜻해집니다. 반대로 플라스틱이나 금속 의자에 앉으면 앉은 후에도 표면이 따뜻해지지 않습니다. 왜 나무 의자 표면은 따뜻해지고 금속 의자 표면은 그렇지 않을까요? 매트리스 없이 차가운 바닥에서 자면 왜 통증이 생길까요? 방한 재킷을 입어본 적이 있나요? 왜 대부분의 방한 재킷은 양모로 만들어질까요? 전도에 의한 열 전달이라는 주제에 대해서는 여전히 생각해 보고 질문할 것들이 많습니다.
고온 물체의 한 부분이 저온 물체와 접촉하면 에너지가 고온 물체에서 저온 물체로 이동합니다. 에너지가 전달되면 원자와 분자가 더 빠르게 움직이게 됩니다. 움직일 때 분자는 운동 에너지(KE = 1/2 mv²)를 갖습니다 . 더 빠르게 움직이는 분자(운동 에너지가 더 큰 분자)는 옆 분자와 충돌합니다. 이 충돌이 또 다른 옆 분자와 이어지는 식으로 계속됩니다. 즉, 분자들이 서로 충돌하면서 에너지를 전달합니다. 물체 분자들 사이의 충돌을 통해 발생하는 열 전달을 전도라고 합니다.
2. 전도에 의한 열전달 방정식
왼쪽에 있는 물체의 온도가 더 높습니다(T).1오른쪽에 위치한 물체는 온도가 더 낮고(T)2온도 차이(T) 때문에1 - T2열은 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동합니다(열의 흐름 방향은 오른쪽). 열이 통과하는 물체는 단면적(A)과 길이(l)를 가지고 있습니다.
실험 결과에 따르면, 특정 시간 간격 동안 이동하는 열량(Q/t)은 온도 차이(T1 – T2 ) 에 정비례합니다.
단면적(A), 물체의 성질(k = 열전도율)에 따라 달라지며 물체의 길이에 반비례합니다. 전도에 의한 열 전달 공식은 다음과 같습니다.
설명: Q/t = 열 전달률, k = 열전도율, A = 단면적, T 1 = 고온, T 2 = 저온, l = 물체의 길이.
3. 열전도율(k)
대부분의 조리 도구가 알루미늄으로 만들어지는 이유는 무엇일까요? 왼손으로 철판을, 오른손으로 유리컵을 잡고 불에 대면 왼손과 오른손 중 어느 쪽이 더 빨리 닿을까요? 이러한 질문들과 여러분이 궁금해할 다른 질문들은 물체의 열전도율과 관련이 있습니다. 물체의 열전도율은 물체가 열을 전달하는 능력을 나타냅니다. 열전도율(k)이 큰 물체는 열을 잘 전달하는 물질이고, 반대로 열전도율이 작은 물체는 열을 잘 전달하지 못하는 물질입니다.
4. 전도에 의한 열전달의 응용
타일이 카펫보다 시원하게 느껴지는 이유는 무엇일까요? 타일은 카펫보다 열전도율이 높습니다. 따라서 타일은 열을 잘 전달하는 반면, 카펫은 열을 잘 전달하지 못합니다. 카펫 위를 걸을 때 발의 체온이 카펫 표면보다 높기 때문에 발에서 카펫으로 열이 전달됩니다. 카펫은 열전도율이 낮기 때문에 발에서 전달된 열이 표면에 축적되어 카펫이 따뜻해집니다. 반면 타일이나 세라믹 바닥 위를 걸을 때는 발에서 전달된 열이 타일이나 세라믹 표면으로 이동합니다. 타일은 열전도율이 높기 때문에 열이 표면에 축적되지 않고 원활하게 전달되어 발이 시원하게 느껴지는 것입니다.
받침대 없이 집 바닥에서 자면 통증을 유발할 수 있습니다. 왜 그럴까요? 바로 몸에서 바닥으로 열이 많이 이동하기 때문입니다. 열은 이동하는 에너지입니다. 몸에서 많은 열이 손실되면 체내 에너지가 감소합니다. 에너지가 부족하면 병에 걸릴 수 있습니다!
창문과 문의 기능은 무엇일까요? 왜 문과 창문은 나무로 만들어야 할까요? 밤에는 집 밖의 온도가 집 안의 온도보다 낮습니다. 이러한 온도 차이로 인해 집 안의 열이 밖으로 이동합니다. 따라서 보통 밤에는 문이나 창문을 닫습니다. 창문이나 문 안쪽에 갇힌 공기는 훌륭한 단열재 역할을 합니다. 물체의 열전도율이 낮을수록 전도에 의한 열 전달이 더 어려워집니다.
옷은 문명화된 정상적인 인간으로서의 지위를 유지하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 체온을 안정적으로 유지하는 기능도 합니다. 우리가 입는 옷은 보통 주변 기온에 맞춰져 있습니다. 기온이 충분히 낮을 때는 두꺼운 옷을 입습니다. 두꺼운 담요나 옷(재킷 등)은 공기의 순환을 막아 피부와 옷 사이에 공기가 갇히게 합니다. 우리 몸과 갇힌 공기 사이에 온도 차이가 발생하기 때문에 체온에서 공기로 열이 이동합니다. 체온에서 이동한 열은 갇힌 공기의 온도를 상승시킵니다(공기가 따뜻해집니다). 공기의 열전도율은 매우 낮기 때문에 열이 몸 밖으로 빠져나가지 못합니다. 따라서 체온이 유지됩니다. 만약 기온이 매우 낮을 때 재킷을 입지 않으면 체온이 빠져나가게 됩니다. 열이 많이 빠져나갈수록 우리 몸은 많은 에너지를 잃게 됩니다!
