[물리산책] 열전달의 방법, 대류

열전달(heat transfer)은 우리 주변에서 빈번히 일어나는 현상이며 우리는 알게 모르게 열전달을 이용하고 있다. 열전달의 방법에는 전도·대류·복사의 3가지 방법이 있는데 여기서는 대류에 대해서 알아본다.

 

 

대류는 매질의 이동에 의한 열전달

대류는 기체나 액체와 같이 유동성이 있는 유체 내에서 일어나는 열전달 방법이다. 대류는 온도차에 의해서 생겨난 유체의 흐름에 의해서 열이 전달되는 것이다. 대류는 자연계에서 흔히 일어나는 열전달 방법일 뿐 아니라 건물의 냉난방이나 자동차 엔진의 냉각장치, 몸의 체온 조절 등에도 이용된다. 예를 들어 라디에이터로 집안이 데워지는 과정을 살펴보자. 먼저 라디에이터의 열로 데워진 주변공기는 가벼워져서 벽을 타고 위쪽으로 올라간다. 이 때 위쪽의 찬 공기는 반대편 벽을 따라 내려온다.   한편 위로 올라간 공기는 열을 방출한 다음 식어서 내려오고 다시 라디에이터에 의해 데워진 공기가 위로 올라가는 순환이 계속 된다. 이와 같이 유체가 순환하는 방식에 의한 열전달을 대류라고 한다. 난로 위에 올려놓은 주전자의 물이 끓는 과정도 대류에 의해 일어난다. 난로의 열을 흡수한 주전자 바닥의 물은 가벼워져 위로 상승한다. 이 때 위쪽의 찬 물이 아래로 내려와서 난로의 열을 흡수한다. 아래쪽의 물이 위쪽의 물 보다 더 뜨거워지면 다시 위로 상승하고 상대적 찬 위쪽의 물이 다시 아래로 내려오는 흐름이 생겨난다. 이와 같은 물의 순환이 계속되어 물의 온도가 물의 비등점에 도달하면 물이 끓게 된다.

물이 끓는 장면을 열상 촬영한 것. 흰색, 붉은색, 노란색, 초록색, 파란색, 검은색 순으로 온도가 낮다. 물의 대류를 잘 볼 수 있다.

 

 

대류는 이류와 확산을 포함한다 이류(advection)는 수평방향으로 일어나는 유체의 흐름이다. 대류가 상하와 수평방향으로 일어난다면 이류는 상하이동 없이 수평방향으로 흐르는 수평기류이다. 이류에 의해서 발생하는 현상으로는 바다안개(ocean fog)를 들 수 있다. 바다안개는 고온 다습한 공기가 찬 바다 위를 지나면서 이슬점 아래로 냉각되어 생긴다. 확산(diffusion)은 유체를 이루고 있는 입자들이 다른 물질과의 충돌에 의해(브라운운동) 사방으로 퍼져 나가는 것이다. 예를 들어 물속에 떨어뜨린 잉크 방울의 잉크가 퍼져 나가면서 섞이는 현상이나 향기가 공기 중으로 퍼지는 현상이 이에 해당한다. 물질의 확산속도는 온도가 높을수록 또 매질의 밀도가 낮을수록 빨라진다.

 

 

자연대류와 강제 대류

유체 내에서 대류가 생기는 원인은 뜨거워진 유체의 부피가 팽창하면서 밀도가 작아지기 때문이다. 밀도가 줄어든 유체는 가벼워져서 부력을 받아 위쪽으로 떠오르게 된다. 그리고 이 빈자리를 상대적으로 온도가 낮아 밀도가 높은 위쪽의 유체가 흘러들어가 순환하는 유체의 흐름이 생기는 것이다. 이와 같이 유체 내부의 온도차에 따른 밀도차로 발생하는 대류를 자연 대류라고 한다.  자연대류는 유체내부의 열을 분산시키는 역할을 한다. 만약 가열되고 있는 유체 내에서 자연대류가 생기지 않는다면 물을 끓이는 일이 쉽지 않을 뿐 아니라 매우 위험한 일이 될 것이다. 죽이나 풀을 쑬 때 부지런히 저어주지 않으면 아래쪽이 과열되어 바닥에 눌러 붙는 일이 발생한다.  만일 물을 끓일 때도 이렇게 된다면 어떻게 될까? 아랫물은 과열되고 윗물은 차가워서 매우 위험한 상황이 초래될 수 있다.

 

아세톤에 용해된 페인트에서 대류가 일어나면서 베나르 셀이 나타나는 장면.

강제대류를 이용해 컴퓨터 부품의 열을 식히는 장치.

 

자연대류에서는 베나르 셀(Bénard cell)이라 부르는 규칙적인 대류환(convection cell)이 나타난다. 대류환이 나타나는 것은 부력과 관계가 있다. 대류는 바닥층에서 가열되어 따뜻해진 유체가 상승하는 것으로부터 시작된다. 이러한 상승류는 자발적으로 규칙적인 형태의 셀을 만들어낸다. 상승한 유체는 차가운 외부와 접촉하여 열을 잃고 식어서 아래로 내려가는 순환이 일어난다.   대류의 또 다른 방법은 강제대류이다. 강제대류는 유체를 강제로 순환시키기 위해 팬이나 펌프를 이용한다. 예를 들어 온수난방장치나 자동차의 냉각장치는 이 방법을 사용한다. 우리 몸도 일정한 체온을 유지하기 위해 강제대류를 이용한다. 우리 몸은 피를 순환시켜 체온을 조절한다. 이때 심장이 펌프의 역할을 한다. 심장은 한번 박동할 때 마다 60-80㎖의 혈액을 내보내어 우리 몸 구석구석에 산소와 영양물질을 공급하고 있다. 하지만 심장이 하는 일은 이것만이 아니다. 심장은 인체에 퍼져 있는 총 8만 km가 넘는 혈관 속으로 혈액을 쉬지 않고 순환시킴으로써 열대류를 통해 체온을 일정하게 유지하는 역할도 하고 있다.

 

 

대류를 더 잘되게 할까? 막을까? 라디에이터나 방열판은 많은 핀을 달고 있다. 그 이유는 무엇일까? 이것은 공기와의 접촉면적을 넓혀 더 많은 열을 방출하기 위한 것이다. 동물들 중에도 몸에서 발생하는 열을 몸 바깥으로 빨리 방출시키기 위해 체표면적을 넓히는 쪽으로 진화해온 동물들이 있다. 예를 들어 더운 지방에 사는 아프리카코끼리의 귀는 아시아 코끼리에 비해 훨씬 크다. 코끼리는 덩치가 커서 체구에 비해 표면적이 작다. 열방출을 늘리기 위해 귀가 커진 것으로 해석할 수 있다. 토끼의 귀가 유달리 큰 것도 마찬가지다. 힘없는 동물인 토끼는 항상 포식자에게 잡아먹히지 않기 위해서 전속력으로 도망쳐야 한다. 이 때 발생한 체열을 빨리 방출하는데 큰 귀가 도움이 된다.

 

방열판에 핀이 많은 이유는 공기와 접촉면적을 넓히기 위해서이다.

 

 

공기는 열전도도가 가장 작은 물질의 하나이다. 하지만 일반적으로 공기는 좋은 단열재가 아니다. 예를 들어 추운 겨울날 맨몸으로 밖에 나갔다간 동상에 걸리기 십상이다. 그 이유는 무엇일까? 공기는 열전도도는 낮지만 유체이기 때문에 대류에 의한 열전달이 크기 때문이다. 바람이 불면 더 추운 이유도 열대류가 더 잘 일어나기 때문이다. 따라서 공기를 단열재로 이용하려면 대류에 의한 손실을 줄여야 한다. 이를 잘 구현한 것이 스티로폼이나 유리섬유와 같은 단열재이다. 이들 소재는 내부에 작고 밀폐된 수많은 공기층을 갖고 있다. 동물들이 옷을 입지 않고도 추위를 잘 견디는 것도 같은 이유에서이다. 동물의 깃털이나 모피 사이에 있는 수많은 공기층이 뛰어난 단열효과를 발휘하기 때문이다.     지구의 생명을 지키는 대류 - 대기와 해류의 대순환 지구는 대부분의 열에너지를 태양으로부터 얻는다. 하지만 지구가 태양으로부터 받는 에너지를 순환시키지 않는다면 어떻게 될까? 지구표면은 밤낮에 따라서 또는 위도에 따라서 엄청난 온도차가 발생하게 될 것이다. 하지만 다행스럽게 지구의 표면에는 대기와 대양이 있어서 대류를 통해 열에너지를 분산시키고 있다. 지구를 둘러싸고 있는 대기의 흐름은 복잡하지만 가장 큰 규모는 태양열을 가장 많이 받는 적도지방에서 상승하고 가장 적게 받는 극지방에서 하강하는 대류에 의해 시작된다. 이와 같은 대기의 대순환은 장기간에 걸쳐 대기가 평균상태를 이루게 한다. 해류의 대순환은 표층대순환과 심층대순환으로 구분해 볼 수 있다. 표층대순환은 해면에 부는 바람의 영향을 많이 받는 강제대류의 성격을 띠고 심층대순환은 온도와 밀도의 영향을 많이 받는 자연대류의 성격을 띤다. 이런 대기와 해양의 대류가 기후와 날씨를 만들고 지구의 생명을 유지하는 것이다.

 

 

발행일  2011.02.14