열의 이동 방법 (전도, 대류, 복사)

온도와 열

열을 이해하기에 앞서서 온도의 개념을 생각해 보면, 온도(Temperature)라는 것은 기본적으로 물체가 얼마나 차갑고 얼마나 뜨거운지를 수치화시킨 것으로 일반적으로 섭씨온도(℃, Celsius)와 절대 온도(K, Kelvin)를 많이 사용합니다. 온도는 사실 차갑다, 뜨겁다는 개념에 앞서 입자의 운동이 얼마나 활발한지를 가늠하는 수치가 되는데요, 일반적으로 물체의 온도가 높아지면 입자의 운동은 활발해집니다. 열(Heat)은 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 이동하는 에너지를 뜻하는 것으로, 온도와 열을 동일한 것으로 혼동을 하면 안 되겠죠.

 

열의 이동 방법 (Heat Transfer)

열의 이동 방법에는 전도와 대류, 그리고 복사가 있습니다. 아래 이미지를 보면 물을 끓이고 있는 편수냄비의 손잡이에는 전도가 일어나고, 열선으로부터 냄비로 대류 현상이, 그리고 냄비 안에서는 복사 현상이 일어나고 있죠. 여기에 대해서 구분해서 정리를 해보겠습니다.

 

열의 이동 방법, 전도, 대류, 복사, 이미지 출처: machinedesign.com

 

전도 (Conduction)

전도는 주로 고체에서 접촉에 의해 일어나는 열의 이동 방법으로 입자의 운동이 옆에 있는 입자들에게 차례차례 전달되면서 열이 이동하는 것을 말합니다. 물질에 따라서 열이 잘 전도되는 것과 그렇지 않은 것들이 있는데요, 이를 열전도율(Thermal conductivity)이라는 물성으로 표현하고 일반적으로 금속은 열이 잘 전도되며 플라스틱이나 나무, 섬유 등은 열이 잘 전도되지 않습니다. 아래 전도의 사례들을 살펴보면 이해가 될 것입니다.

 

• 뜨거운 국에 담가둔 숟가락 손잡이 부분까지 뜨거워지는 것
• 추운 날 금속으로 된 의자가 나무로 된 의자보다 더 차가운 것
• 냄비나 프라이팬의 손잡이에 열이 잘 전도되지 않는 플라스틱이나 실리콘 고무로 만드는 것

 

대류 (Convection)

물질의 상태에 따라 열의 이동 방법이 차이가 나는데 주로 액체나 기체 등의 유체에서 순환에 의해 열이 이동하는 경우를 대류라고 합니다. 이때 입자가 직접 이동하면서 열이 전달되는데요, 액체나 기체의 경우 온도가 올라가게 되면 입자의 운동이 활발해지므로 입자 간의 거리가 멀어지면서 부피가 커지고 결과적으로 밀도가 낮아지게 됩니다. 여기서 온도에 따라 달라지는 액체나 기체의 밀도 변화로 나타나는 대류의 예를 살펴보면 아래와 같습니다.

 

• 따뜻한 공기가 위로 올라가므로 난로를 켜면 방 전체가 따뜻해지는 것
• 물을 끓일 때 차가운 물은 아래로 내려가고 바닥의 뜨거운 물이 위로 올라가는 것
• 에어컨의 바람 방향을 위쪽으로 향하게 하면 좀 더 빨리 방 전체가 시원해지는 것
• 뜨거운 여름에 아스팔트 위에 피어오르는 아지랑이 (온도가 올라간 공기가 밀도가 낮아져 위로 올라가는 현상)

 

복사 (Radiation)

열이 어떠한 물질의 도움 없이 전자기파의 형태로 직접 이동하여 열이 이동하는 방법을 복사라고 합니다. 어떠한 물질을 거치지 않으므로 전도나 대류에 비해 상대적으로 열의 이동이 빠른데요, 사실 우리에게 복사가 들어가는 가장 익숙한 단어는 태양복사에너지겠죠. 참고로, 물체의 표면 에너지가 높을수록 열 에너지가 복사의 형태로 많이 방출됩니다. 

 

• 난로에 가까이 가면 따뜻한 것
• 태양과 지구 사이는 공기가 없는 진공 상태이지만 햇볕이 따뜻한 것 (태양의 열이 빛의 형태로 지구로 전달되는 것)
• 적외선 카메라를 이용하여 물체나 사람, 동물의 온도 분포를 보는 것 (적외선으로 복사열 감지)

---

지구 환경에서 쉽게 볼 수 있는 전도, 대류, 복사, 이미지 출처: noaa.gov

 

지구의 대기는 유체죠. 태양의 열 에너지가 복사되어 지구에 도달하면 지표면이 따뜻하게 데워집니다. 그리고, 지표면들이 전도로 데워지고 공기에도 열이 전도가 되죠. 그러면 따뜻해진 공기는 밀도가 낮아지면서 위로 상승을 하게 됩니다. 대류가 일어나는 것이죠. 위로 올라간 따뜻한 공기에 의해 주변으로 열이 전달되고 식어서 차가워진 공기는 아래로 내려오게 됩니다. 대류권이라는 마을 들어본 적이 있을 텐데요, 이러한 기상 현상과 관련하여 사용되는 단어라고 생각하면 되겠습니다.