2.6. Heat Transfer
열전달은 온도 차이로 인한 에너지의 이동입니다. 물리적인 우리의 몸(또는 물체, 액체 등)이 주변의 다른 물체와 함께 있거나 온도 차이가 나는 곳에 있을 때, 주변과의 열 에너지의 평형(균형)을 이루기 위해 열전달(=열 교환)이라고 알려진 열 에너지의 이동이 일어납니다. 열전달은 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 일어납니다. 가까이에서 물체들 사이에 온도 차이가 있는 경우, 물체 사이에서의 열전달은 결코 멈출 수 없습니다. 단지 열전달의 속도가 느려질 수 있을 뿐입니다.
우리 지구 지표면에서의 열에 대한 근원은 태양입니다. 태양으로부터의 에너지는 우주를 통해 지구의 대기로 전달되고, 지구의 대기를 통해 지구 지표면으로 전달됩니다. 이 에너지로 인해서 지표면과 대기를 따뜻하게 해 주기 때문에, 그 에너지의 일부가 열에너지가 됩니다. 열이 대기로 또는 대기를 통해서 전달되는 방법에는 '복사(radiation)', '전도(conduction)', '대류(convection)', 또는 복사, 전도, 대류의 어떠한 조합 등으로 세 가지가 있습니다. 물이 어떤 형태에서 또 다른 어떠한 형태로 열 교환이 이루어지는 것(액체 상태의 물이 증기로 바뀌면서 열을 방출하고, 액체 상태의 물이 얼음으로 바뀌면서 열을 흡수하는 것 등)과 관련되어 있는 열전달은 근본적으로 대류성 열전달의 변화로써 여겨질 수 있습니다. 물과 연관된 열전달은 나중에 또 이야기를 나눌 것입니다.
2.6.1. Radiation
만약 벽난로 앞이나 캠프파이어 근처에 서 있었다면, '복사(radiation)'로 알려진 열전달을 느꼈을 것입니다. 이때 불에 가장 가까운 몸 쪽이 따뜻해지는 반면, 다른 쪽은 열의 영향을 거의 받지 않는 상태일 것입니다. 비록 공기에 둘러싸여 있지만, 공기는 이런 종류의 열전달과는 아무런 관련이 없습니다. 음식을 따뜻하게 유지해주는 램프는 이와 같은 방식으로 작동합니다.
복사는 전자기 복사에 의해 공간(space)을 통해 열에너지를 전달하는 것입니다. 이러한 전자기파는 빛의 속도로 이동하며 보통 파장이나 주파수로 설명됩니다. 주파수는 하이 엔드(high end)의 감마선부터 로우 엔드(low end)의 전파까지 다양합니다. 또한 스펙트럼에는 X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 극초단파 등이 있습니다.
모든 물체는 물체 안의 열에너지가 복사 에너지로 전환되면서 에너지를 방출합니다. 이렇게 전달된 복사 에너지는 공기, 물 또는 우주와 같은 실체를 통과합니다. 그 과정에서, 파동 에너지가 물체와 마주쳐 방향을 바꿀 때 복사 에너지가 반사될 수 있습니다. 결국, 복사 에너지는 흡수되고 전자기파 에너지는 흡수하는 물체에 의해 열에너지로 전환됩니다. 방출하는 물체는 열에너지를 잃고, 흡수하는 물체는 이 과정 동안 열에너지를 얻는 것입니다.
2.6.1.1. Solar and Terrestrial Radiation
태양(태양 복사)과 지구(지구 복사)를 포함한 모든 물체들은 복사 에너지를 방출합니다. 물체의 최대 복사의 파장은 물체가 뜨거울수록, 파장은 짧아지고, 물체가 차가울수록, 파장은 길어지는 것처럼 온도에 반비례합니다. 태양의 최대 복사의 파장은 상대적으로 짧고 가시 스펙트럼의 중심에 있습니다. 지구의 최대 복사의 파장은 상대적으로 길고 적외선 스펙트럼의 중심에 있습니다.
지구 표면에 도달하는 태양 복사 중 일부는 열에너지가 되기 위해 대기로 다시 복사됩니다. 아스팔트 등 어두운 색상의 물체는 밝은 색상의 물체보다 복사 에너지를 더 많이 흡수하고 따뜻하게 합니다. 또한 어두운 물체들은 밝은 색깔의 물체들보다 더 빨리 에너지를 방출합니다.
2.6.1.2. Solar Zenith Angle
지구 표면을 강타하는 들어오는 태양 복사의 세기(일사량)는 태양 천정 각(solar zenith angle)에 따라 달라집니다. 태양 천정 각은 태양과 천정 사이의 지구의 표면으로부터 측정된 각도(즉, 머리 바로 위에서 들어오는 각도)입니다. 태양 천정 각은 위도, 계절, 그리고 일주 주기(일출/일몰)에 따라 달라집니다.
[Figure 2-4]는 태양 천정 각의 개념을 설명합니다. 일사량은 태양 천정 각이 0˚일 때 최대가 됩니다. 이는 태양이 직접적으로 바로 머리 위에 있다는 것을 의미합니다. 태양 천정 각이 증가함에 따라 일사량은 점점 더 큰 표면적(y가 x보다 큼)으로 분산되어 일사량이 덜 강해집니다. 또한, 태양 천정 각이 증가함에 따라, 태양 광선은 지구 대기의 더 많은 부분을 통과해야 하며, 지구 표면에 도달하기 전에 흩어지고 흡수될 수 있습니다. 그러므로, 태양은 수평선보다 높이 하늘에 있을 때 훨씬 더 높은 온도로 표면을 가열할 수 있습니다.
2.6.2. Conduction
전도는 한 물질에서 다른 물질로의 분자 활동에 의한 에너지(열도 포함)의 전달입니다. 열은 항상 따뜻한 물질에서 차가운 물질로 이동합니다. 열전달 속도는 온도 차이가 클수록 더 크며 열을 전도하는 물질의 능력에 직접적으로 의존합니다. 전도 중, 더 따뜻한 물질은 열을 식히고 에너지를 잃는 반면, 더 차가운 물질은 열을 얻고 열을 얻습니다. 열(열 에너지) 전도성은 분자 운동의 결과로 열을 전도하는 능력을 나타내는 물질의 특성입니다. 단위는 미터-켈빈 당 와트입니다. 아래 [Table 2-3]은 다양한 물질의 열(열 에너지) 전도도를 나타냅니다. 참고로 공기는 열 전도율이 낮은 열전도체라는 점에 주목하시길 바랍니다. 별도의 언급이 없는 한 모든 측정은 25℃에서 이루어진 것입니다. 추가적으로 1K는 -272.15℃와 같습니다.
2.6.3. Convection
대류는 유체 자체의 움직임을 통해 공기나 물과 같은 유체 내에서 열을 전달하는 것입니다. 액체와 기체가 자유롭게 움직일 수 있고, 액체와 기체 내에서 열의 흐름을 가능하게 만들어주기 때문에 이러한 유형의 열 이동은 액체와 기체(유체)에서 일어납니다. 기체와 액체는 자유롭게 움직일 수 있고 액체와 기체 내에서 열이 흐를 수 있고. 냄비에서 물이 끓는 것은 대류의 한 예시입니다. 공기는 효율이 좋지 않은 열전도체이기 때문에 대류는 지구의 대기 열전달 과정에서 필수적인 역할을 합니다. 아래의 [Figure 2-5]는 다양한 열전달 과정의 예를 보여줍니다.
- Heat Transfer(열전달) : 열의 전달은 분자 운동과 관계하는 3가지 방식(전도, 대류, 복사)으로 일어납니다.
- Radiation(복사) : 열의 세 가지 이동 방법인 전도, 복사, 대류 가운데 하나입니다. 원자 내부의 전자는 열을 받거나 빼앗길 때 원래의 에너지 준위에서 벗어나 다른 에너지 준위로 전이하게 됩니다. 이때 전자기파를 방출 또는 흡수하는데, 이러한 전자기파에 의해 열이 매질을 통하지 않고 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 전달되는 현상입니다. 또한 복사현상은 매질과 관계없이 발생하므로 진공 속에서도 발생하게 됩니다.
- Solar Radiation(태양 복사열) : 태양 광선이 지구 표면에 도달해서 내는 복사열을 말합니다.
- Terrestrial Radiation(지구 복사) : 지구가 태양 복사에너지의 흡수량에 상당하는 에너지를 우주 공간으로 내보내는 것을 말합니다.
- Solar Zenith Angle(태양 천정 각) : '지면에서 수직방향과 태양과의 이루는 각도'를 말합니다.
- Conduction(전도) : 열의 세 가지 전달 과정 중의 하나입니다. 열에너지가 고온 쪽에서 저온 쪽으로 전달되는 현상으로 가까이 있는 분자를 통해 열이 전달되며 매개체가 있어야 가능합니다. 온도가 다른 물체나 또는 온도가 같은 물체라도 부분적으로 온도 차가 있을 때는, 열이 고온부에서 저온부로 흘러가게 됩니다. 이때의 열의 전달 속도는 물체의 단위 길이당 온도 차(온도 기울기)에 비례하나, 물체의 재질에 따라 그 속도가 달라지게 됩니다. 고체·액체·기체 모두 열의 전도가 가능하지만, 금속은 전도율이 큰 반면 액체나 기체는 전도율이 작습니다. 열이 잘 전달되는 물체를 양도체, 열이 잘 전달되지 않는 물체를 부도체라고 합니다. 전도가 불가능한 경우는 바로 진공 상태입니다.
- Convection(대류) : 유체 속에 온도차가 생기면 밀도의 차가 생겨 순환운동이 일어나게 됩니다. 그 운동에 의해 열이 이동하는 현상을 말합니다.
- 열전도율 : 구체적인 크기와 모양을 가진 물체가 실제로 열을 전달하는 정도를 뜻한다.
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 2-3~8 해석
'자습 [ Aviation Weather, FAA AC 00-6B ] > CH 2. Heat and Temperature' 카테고리의 다른 글
| 2.8.1~3. Temperature Variations with Altitude / Atmospheric Sounding / Isothermal Layer / Temperature Inversion (0) | 2022.01.11 |
|---|---|
| 2.7. Thermal Response (0) | 2022.01.10 |
| 2.5.1~2. Temperature / Temperature Measurement / Temperature Scales (0) | 2022.01.08 |
| 2.1~4. Introduction / Matter / Energy / Heat (0) | 2022.01.07 |