열전달

열 전달은 물리적 시스템 간의 열 에너지(열)의 생성, 사용, 변환 및 교환에 관한 열 공학의 한 분야입니다.열전달은 열전도, 열대류, 열복사, 상변화에 의한 에너지 전달 등 다양한 메커니즘으로 분류됩니다.엔지니어들은 또한 열 전달을 달성하기 위해 차갑거나 뜨거운 형태의 다양한 화학종의 질량 전달(대류 형태의 물질 전달)을 고려합니다.이러한 메커니즘은 고유한 특성을 가지고 있지만 동일한 시스템에서 동시에 발생하는 경우가 많습니다.

열전도는 확산(diffusion)이라고도 하며, 두 계 사이의 경계를 통해 입자(예를 들어 분자) 또는 준입자(격자파 등)의 운동 에너지를 직접 미시적으로 교환하는 것입니다.물체가 다른 물체나 주변과 다른 온도에 있을 때 열이 흘러서 신체와 주변이 같은 온도에 도달하게 되고, 이 시점에서 열 평형 상태에 있게 됩니다.이러한 자발적인 열전달은 열역학 제2법칙에서 설명한 바와 같이 항상 고온의 영역에서 저온의 다른 영역으로 발생합니다.

열 대류는 유체(기체 또는 액체)의 대량 흐름이 유체를 통해 열을 운반할 때 발생합니다.모든 대류 과정 또한 부분적으로 확산에 의해 열을 이동합니다.유체의 흐름은 외부 프로세스에 의해 강제될 수도 있고, 때로는 열 에너지가 유체를 팽창시킬 때 발생하는 부력에 의해(예를 들어, 불기둥에서), 자체 전달에 영향을 미칠 수도 있습니다.후자의 과정은 종종 "자연 대류"라고 불립니다.전자의 과정은 종종 "강제 대류"라고 불립니다.이 경우 펌프, 팬 또는 기타 기계적 수단을 사용하여 유체를 강제로 흐르게 됩니다.

열복사는 진공 또는 투명 매질(고체 또는 유체 또는 기체)을 통해 발생합니다.그것은 같은 법칙에 의해 지배되는 광자나 전자기파에 의한 에너지의 전달입니다.^[1]

개요

열 전달은 온도 차이로 인해 물질(고체/액체/기체) 간에 교환되는 에너지입니다.열역학적 자유 에너지는 열역학계가 수행할 수 있는 일의 양입니다.엔탈피는 열역학 퍼텐셜로 "H"로 표시되며, 이는 시스템의 내부 에너지에 압력(P)과 부피(V)의 곱을 더한 값입니다.줄은 에너지, 일 또는 열의 양을 정량화하는 단위입니다.^{[citation needed]}

열 전달은 상태 함수와는 반대로 과정 함수(또는 경로 함수)입니다. 따라서 시스템의 상태를 변화시키는 열역학적 과정에서 전달되는 열의 양은 과정의 초기 상태와 최종 상태 사이의 순 차이뿐만 아니라 해당 과정이 어떻게 발생하는지에 따라 달라집니다.

열역학적 및 기계적 열 전달은 열 전달 계수, 열 유속과 열 흐름에 대한 열역학적 구동력 사이의 비례성으로 계산됩니다.열 유속은 표면을 통한 열 흐름을 정량적으로 벡터로 표현한 것입니다.^[2]

공학적 맥락에서 열이라는 용어는 열 에너지와 동의어로 받아들여집니다.이 용법은 열을 다양한 원인에 의해 전달될 수 있는 유체(열량)로 역사적으로 해석하는 데서 그 기원이 있으며,^[3] 그것은 평신도의 언어와 일상생활에서도 흔히 볼 수 있습니다.

열에너지(푸리에의 법칙), 역학적 운동량(뉴턴의 유체에 대한 법칙), 질량 전달(픽의 확산 법칙)에 대한 수송 방정식은 유사하며,^[4][5] 이 세 수송 과정 중 어느 하나에서 다른 하나로의 변환 예측을 용이하게 하기 위해 유사성이 개발되었습니다.^[5]

열 공학은 열 전달의 생성, 사용, 변환, 저장 및 교환에 관한 것입니다.따라서 열 전달은 경제의 거의 모든 부문에 관여합니다.^[6]열전달은 열전도, 열대류, 열복사, 상변화에 의한 에너지 전달 등 다양한 메커니즘으로 분류됩니다.

매커니즘

기본적인 열 전달 모드는 다음과 같습니다.

이류

이류는 한 위치에서 다른 위치로 유체를 운반하는 메커니즘이며 해당 유체의 운동과 운동량에 따라 달라집니다.

전도 또는 확산

물리적으로 접촉하는 물체들 사이의 에너지 전달.열전도율은 열을 전도하는 물질의 특성으로 주로 푸리에의 열전도 법칙으로 평가됩니다.

대류

유체 운동으로 인한 물체와 물체 환경 사이의 에너지 전달.평균 온도는 대류 열전달과 관련된 특성을 평가하는 기준이 됩니다.

방사능

전자기 복사 방출에 의한 에너지 전달.

이류

열에너지를 포함한 에너지는 물질을 전달함으로써 뜨거운 물체나 차가운 물체가 한 곳에서 다른 곳으로 물리적으로 전달됨으로써 이동됩니다.^[7]이것은 병에 뜨거운 물을 넣고 침대를 데우거나 해류를 변화시키는 빙산의 움직임과 같이 간단할 수 있습니다.실제적인 예로는 열수압학이 있습니다.이는 다음 공식으로 설명할 수 있습니다.

어디에

• $ϕ$q {\displaystyle \phi_{q}}는 열유속(W/m),
• $ρ {\displaystyle$ \rho}은(는) 밀도(kg/m),
• ${\displaystyle {cp}_{}}$ ${\$는 일정한 압력에서의 열용량(J/kg·K),
• $T {\displaystyle$ \Delta T}는 온도차(K),
• ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle v}$은(는) 속도(m/s)입니다.

전도

미세한 규모에서 열전도는 뜨겁고 빠르게 움직이거나 진동하는 원자와 분자가 이웃한 원자 및 분자와 상호작용하여 에너지의 일부(열)를 이웃한 입자로 전달하는 것으로 발생합니다.즉, 인접한 원자들이 서로 진동할 때, 또는 전자들이 한 원자에서 다른 원자로 이동할 때 전도에 의해 열이 전달됩니다.전도는 고체 내에서 또는 열 접촉하는 고체 물체 사이에서 가장 중요한 열 전달 수단입니다.유체, 특히 가스는 전도성이 낮습니다.열접촉 전도는 접촉하는 고체 간의 열전도를 연구하는 것입니다.^[8]차가운 물잔 위에 손을 올려놓을 때처럼 입자의 움직임 없이 한 곳에서 다른 곳으로 열이 전달되는 과정을 전도라고 하는데, 따뜻한 피부에서 차가운 유리로 열이 전달되지만, 유리에서 몇 인치 떨어진 곳에 손을 잡으면 공기가 열을 잘 전달하지 못하기 때문에 전도가 거의 일어나지 않습니다.정상 상태 전도는 전도를 구동하는 온도 차이가 일정할 때 발생하는 이상적인 전도 모델로, 시간이 지나면 전도 대상의 온도 공간 분포가 더 이상 변하지 않습니다(푸리에의 법칙 참조).^[9]정상 상태 전도에서는 온도 변화(열 에너지의 척도)가 0이기 때문에 구간에 들어오는 열의 양은 나오는 열의 양과 같습니다.^[8]정상적인 상태 전도의 예로는 추운 날 따뜻한 집의 벽을 통과하는 열 흐름이 있습니다. 집 안은 고온으로 유지되고 밖은 낮은 온도로 유지됩니다.따라서 단위 시간당 열 전달은 벽의 단열재에 의해 결정되는 일정한 비율 근처에 머물고 벽의 온도 공간 분포는 시간이 지남에 따라 거의 일정할 것입니다.

과도 전도(열 방정식 참조)는 물체 내의 온도가 시간에 따라 변할 때 발생합니다.과도 시스템의 분석은 더 복잡하며 열 방정식의 분석 솔루션은 이상화된 모델 시스템에만 유효합니다.실제 적용은 일반적으로 수치적 방법, 근사 기법 또는 경험적 연구를 사용하여 조사됩니다.^[8]

대류

유체의 흐름은 외부 프로세스에 의해 강제될 수도 있고, 때로는 열 에너지가 유체를 팽창시킬 때 발생하는 부력에 의해(예를 들어, 불기둥에서), 자체 전달에 영향을 미칠 수도 있습니다.후자의 과정은 종종 "자연 대류"라고 불립니다.모든 대류 과정 또한 부분적으로 확산에 의해 열을 이동합니다.대류의 또 다른 형태는 강제 대류입니다.이 경우 펌프, 팬 또는 기타 기계적 수단을 사용하여 유체를 강제로 흐르게 됩니다.

대류 열 전달 또는 간단히 대류는 유체의 이동에 의해 한 곳에서 다른 곳으로 열이 전달되는 것으로, 본질적으로 물질 전달을 통한 열 전달 과정입니다.유체의 벌크 운동은 고체 표면과 유체 사이와 같은 많은 물리적 상황에서 열 전달을 향상시킵니다.^[10]대류는 일반적으로 액체와 기체에서 열 전달의 지배적인 형태입니다.때때로 열 전달의 세 번째 방법으로 논의되기도 하지만, 대류는 일반적으로 유체 내에서의 열 전도(확산)와 벌크 유체 흐름 스트리밍에 의한 열 전달의 결합된 효과를 설명하는 데 사용됩니다.^[11]유체의 흐름에 의한 운반과정은 대류라고 알려져 있지만, 순수 대류는 일반적으로 하천의 조약돌의 대류와 같이 유체의 대량 운반에만 관련되는 용어입니다.유체에서의 열 전달의 경우, 유체에서의 대류에 의한 수송 또한 항상 열 확산(열 전도라고도 함)을 통한 수송을 동반하는 경우, 열 대류 과정은 대류와 확산/전도에 의한 열 수송의 합을 의미하는 것으로 이해됩니다.

자유 또는 자연 대류는 유체의 온도 변화로 인한 밀도 변화로 인한 부력력에 의해 벌크 유체 운동(스트림 및 전류)이 발생할 때 발생합니다.강제 대류란 유체의 흐름과 전류가 팬, 교반기, 펌프 등 외부 수단에 의해 유도되어 인위적으로 유도된 대류 전류를 생성할 때 사용되는 용어입니다.^[12]

대류냉각

대류 냉각은 뉴턴의 냉각 법칙으로 설명되기도 합니다.

신체의 열 손실률은 신체와 주변 환경 사이의 온도 차이에 비례합니다.

그러나 뉴턴의 냉각 법칙의 유효성은 대류에 의한 열 손실률이 열 전달을 유도하는 온도차의 ("비례") 선형 함수일 것을 요구하며, 대류 냉각에서는 그렇지 않은 경우가 있습니다.일반적으로 대류는 온도 구배에 선형적으로 의존하지 않으며 어떤 경우에는 강하게 비선형적입니다.이런 경우에는 뉴턴의 법칙이 적용되지 않습니다.

대류 대 전도

용기 아래에서 가열되는 유체체에서 전도와 대류는 지배력을 경쟁하는 것으로 간주될 수 있습니다.열전도가 너무 크면 대류에 의해 아래로 이동하는 유체는 부력 때문에 아래로 이동하는 것이 멈출 정도로 빠른 전도에 의해 가열되는 반면 대류에 의해 위로 이동하는 유체는 너무 빠른 전도에 의해 냉각되어 주행 부력이 감소합니다.반면, 열전도가 매우 낮으면 큰 온도 구배가 형성되고 대류가 매우 강해질 수 있습니다.

Rayleigh 숫자(${\displaystyle \mathrm{Ra}}$ ${\$는 Grashof$($${\displaystyle \mathrm{Gr}}$ ${\$와 Prandtl$($${\displaystyle \mathrm{Pr}}$ ${\$ 숫자의 곱입니다.전도와 대류의 상대적인 강도를 결정하는 척도입니다.^[13]

어디에

• g는 중력에 의한 가속도,
• ρ는 δ ρ${\$displaystyle \Delta \rho}의 밀도이며, 하단과 상단의 밀도 차이입니다.
• μ는 동적 점도이고,
• α는 열 확산율이고,
• β는 부피 열 팽창율(다른 곳에서는 α로 표시되기도 함),
• 이것은 온도입니다.
• ν는 운동학적 점도이고,
• L은 특징적인 길이입니다.

Rayleigh 수치는 대류에 의한 열 전달 속도와 전도에 의한 열 전달 속도 사이의 비율 또는 이와 동등하게 해당 시간 척도 사이의 비율(즉, 전도 시간 척도를 대류 시간 척도로 나눈 값)을 수치 인자로 이해할 수 있습니다.이는 다음과 같이 볼 수 있는데, 모든 계산은 시스템의 기하학적 구조에 따라 수치 인자까지 가능합니다.

대류를 구동하는 부력은 대략 $G$δ$$ρ L 3 {\$displaystyle g$Delta \rho L^{3}} 이므로 해당 ${\displaystyle \mathrm{압력}}$은$$대략 G$$δ$$ρ$$L$${\displaystyle g\Delta \rho L} 이며, 정상 상태에서는 점도에 의한 전단 응력에 의해 상쇄됩니다.$따라서$ 대략 ${\displaystyle \mu V}$/ L = μ${\displaystyle }$/ ${\displaystyle T}$conv ${\$displaystyle$$\mu V/L =\mu / T_{\text{conv}}와 같습니다. 여기서 V는 대류로 인한 일반적인 유체 속도이고 T conv {\displaystyle T_{\text{conv}}는 해당 시간 척도의 순서입니다.반면, 전도 시간 $척도$는 ${\displaystyle {\text{T컨드}}_{}}$ = ${\displaystyle {L2}^{}}$ α {\displaystyle T_{\text{cond}}의 순서입니다.=$L^{2}/\alpha$

대류는 레일리 수가 1,000-2,000 이상일 때 발생합니다.

방사능

복사열 전달은 열복사, 즉 전자기파를 통한 에너지 전달입니다.^[1]진공 또는 모든 투명 매체(고체, 유체 또는 가스)에서 발생합니다.^[15]열복사는 물질 내 원자와 분자의 무작위 움직임으로 인해 절대영도 이상의 온도에서 모든 물체에 의해 방출됩니다.이러한 원자와 분자는 전하를 띤 입자(양성자와 전자)로 구성되어 있기 때문에, 이들의 움직임은 에너지를 운반하는 전자기 복사를 방출합니다.방사선은 일반적으로 매우 뜨거운 물체 또는 온도 차이가 큰 물체에 대한 엔지니어링 응용에서만 중요합니다.

물체와 그것들을 분리하는 거리의 크기가 크고 열복사의 파장과 비교할 때 복사 에너지의 전달 속도는 스테판-볼츠만 방정식에 의해 가장 잘 설명됩니다.진공 상태에 있는 물체의 경우 방정식은 다음과 같습니다.

두 물체 사이의 복사 전달의 경우 방정식은 다음과 같습니다.

어디에

• $ϕ$q {\displaystyle \phi_{q}}는 열 유속이고,
• $ϵ {\displaystyle$ \epsilon}은(흑체에 대한 통일성) 방사율입니다.
• $σ${\$displaystyle \$sigma}는 스테판-볼츠만 상수입니다.
• ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle F}$는 두 표면 a와 b 사이의 뷰 팩터이고,^[16]
• ${\displaystyle {ta}_{}}$ ${\$ 및$$ ${\displaystyle {tb}_{}}$ ${\$는 두 개체의 절대 온도(켈빈 또는 랭킨 단위)입니다.

스테판-볼츠만 방정식에 의해 설정된 흑체 한계는 열복사를 교환하는 물체나 이들을 분리하는 거리가 크기가 비슷하거나 지배적인 열파장보다 작을 때 넘을 수 있습니다.이러한 경우에 대한 연구를 근거리 복사열 전달이라고 합니다.

태양으로부터의 방사선 또는 태양 방사선은 열과 전력을 위해 수확될 수 있습니다.^[17]전도성 및 대류성 형태의 열 전달과 달리 좁은 각도 내에 도달하는 열 복사(즉, 거리보다 훨씬 작은 소스에서 도달하는 열 복사)는 반사 미러를 사용하여 작은 지점에 집중될 수 있으며, 이는 태양열 발전이나 불타는 유리를 집중시키는 데 이용됩니다.^[18]예를 들어, 거울에서 반사되는 햇빛은 PS10 태양광 발전탑을 가열하고 낮에는 물을 285°C(545°F)까지 가열할 수 있습니다.^[19]

표적에서 도달 가능한 온도는 방사선의 뜨거운 소스의 온도에 의해 제한됩니다. (T-law는⁴ 방사선의 역방향 흐름이 소스로 다시 상승하도록 허용합니다.)프랑스 몽루이 태양로의 큰 오목하고 집광하는 거울의 초점에 있는 작은 탐사선에서 표면에 약 4000 K의 뜨거운 태양이 대략 3000 K (또는 3000 °C, 약 3273 K)에 도달할 수 있습니다.^[20]

상전이

상전이 또는 상변화는 열전달에 의해 물질의 한 상 또는 상태에서 다른 상으로 열역학계에서 발생합니다.상변화의 예로는 얼음이 녹거나 물이 끓는 것이 있습니다.메이슨 방정식은 열 수송이 증발과 응축에 미치는 영향을 기반으로 물방울의 성장을 설명합니다.

상전이는 물질의 네 가지 기본 상태를 포함합니다.

• 고체 – 증착, 동결 및 고체에서 고체로 변환됩니다.
• 액체 – 응축 및 용융/융합.
• 가스 – 끓는/증발, 재조합/탈이온화, 승화.
• 플라즈마 – 이온화.

비등

물질의 끓는점은 액체의 증기압이 액체를^[22][23] 둘러싼 압력과 같아지고 액체가 증발하여 증기 부피가 급격하게 변하는 온도입니다.

닫힌계에서 포화온도와 끓는점은 같은 의미입니다.포화 온도는 액체가 증기상으로 끓는 해당 포화 압력에 대한 온도입니다.액체는 열 에너지로 포화 상태라고 할 수 있습니다.열 에너지를 추가하면 상전이가 발생합니다.

표준 대기압 및 저온에서는 비등 현상이 발생하지 않으며 일반적인 단상 메커니즘에 의해 열 전달 속도가 제어됩니다.표면 온도가 높아지면 국부적으로 비등이 일어나 증기 기포가 핵을 이루고 주변의 냉각기 유체로 성장하여 붕괴됩니다.이것은 과냉각 핵비등이며, 매우 효율적인 열전달 메커니즘입니다.높은 기포 발생 속도에서는 기포가 간섭하기 시작하고 열 유속이 표면 온도에 따라 더 이상 급격하게 증가하지 않습니다(이것은 핵비등(Nucleate boiling, 즉 DNB)에서 벗어나는 것입니다).

유사한 표준 대기압 및 고온에서 필름 비등의 유체역학적으로 더 조용한 체제에 도달합니다.안정된 증기층을 가로지르는 열 유속은 낮지만 온도에 따라 천천히 상승합니다.유체와 표면 사이의 접촉은 아마도 새로운 증기층의 매우 빠른 핵 생성("자발적 핵 생성")으로 이어질 것입니다.더 높은 온도에서는 열 유속의 최대값(임계 열 유속 또는 CHF)에 도달합니다.

라이덴프로스트 효과는 히터 표면의 기포로 인해 핵비등이 열전달을 늦추는 방법을 보여줍니다.언급한 바와 같이, 기상 열전도율은 액상 열전도율보다 훨씬 낮으므로 결과는 일종의 "기체 열 장벽"입니다.

응결

응축은 증기가 냉각되어 액체로 상이 변화할 때 발생합니다.응축하는 동안 기화 잠열을 방출해야 합니다.열의 양은 동일한 유체 압력에서 기화될 때 흡수되는 열과 같습니다.^[24]

응축에는 다음과 같은 몇 가지 유형이 있습니다.

• 안개가 형성될 때와 같은 균일한 응축.
• 과냉각 액체와 직접 접촉하는 응축.
• 열교환기 냉각벽과의 직접 접촉에 의한 결로:업계에서 가장 일반적으로 사용되는 모드입니다.
  • 필름 단위 응축은 과냉각된 표면에 액체 필름이 형성되는 경우로, 액체가 표면을 적실 때 주로 발생합니다.
  • 물방울 결로는 과냉각된 표면에 액체 방울이 형성되는 경우로, 액체가 표면을 적시지 않을 때 주로 발생합니다.
  적하 응축은 안정적으로 유지하기가 어려우므로 산업 장비는 일반적으로 필름 적하 응축 모드로 작동하도록 설계됩니다.

녹는

용융은 물질이 고체에서 액체로 상전이를 일으키는 열 과정입니다.물질의 내부 에너지는 일반적으로 열이나 압력 내에서 증가하여 녹는점까지 온도가 상승하여 고체 내 이온성 또는 분자성의 순서가 덜 정렬된 상태로 분해되어 고체가 액화됩니다.일반적으로 용융된 물질은 온도가 높을수록 점도가 감소합니다. 이 극대에 대한 예외는 유황 원소인데, 유황은 중합으로 인해 점도가 한 점까지 증가한 후 용융 상태에서 온도가 높을수록 점도가 감소합니다.^[25]

모델링 접근 방식

열 전달은 다양한 방법으로 모델링할 수 있습니다.

열방정식

열 방정식은 시간에 따른 특정 지역의 열 분포(또는 온도 변화)를 설명하는 중요한 편미분 방정식입니다.어떤 경우에는 방정식의 정확한 해를 사용할 수 있고,^[26] 어떤 경우에는 열/반응 입자 시스템을 위한 DEM 기반 모델과 같은 계산 방법을 사용하여 방정식을 수치적으로 풀어야 합니다(Peng et al. 이 비판적으로 검토한 바).^[27]

집중식 시스템 분석

집중 시스템 분석은 종종 방정식의 복잡성을 1차 선형 미분 방정식으로 감소시키며, 이 경우 가열과 냉각은 종종 뉴턴의 냉각 법칙이라고 불리는 간단한 지수 솔루션으로 설명됩니다.

집중 정전용량 모델에 의한 시스템 분석은 물체 내의 열전도가 물체의 경계를 가로지르는 열전도보다 훨씬 빠를 때마다 사용될 수 있는 과도 전도의 일반적인 근사치입니다.이것은 물체 내의 과도 전도 시스템의 한 측면을 동등한 정상 상태 시스템으로 줄이는 근사 방법입니다.즉, 이 방법은 물체 내의 온도가 시간에 따라 변할 수 있지만 완전히 균일하다고 가정합니다.

이 방법에서는 물체의 경계를 가로지르는 대류 열전달 저항에 대한 물체 내 전도성 열저항의 비율, 즉 Biot number를 계산합니다.작은 Biot 수의 경우 물체 내 공간적으로 균일한 온도의 근사치를 사용할 수 있습니다: 물체로 전달된 열은 물체로 들어오는 열에 대한 저항에 비해 저항이 낮기 때문에 균일하게 분포할 시간이 있다고 추정할 수 있습니다.^[28]

기후모델

기후 모델은 대기, 해양, 지표면, 얼음의 상호 작용을 시뮬레이션하기 위해 정량적인 방법을 사용하여 복사열 전달을 연구합니다.^[29]

공학 기술

열 전달은 수많은 장치와 시스템의 작동에 광범위하게 적용됩니다.열 전달 원리는 매우 다양한 상황에서 온도를 유지, 증가 또는 감소시키는 데 사용될 수 있습니다.^[30]열 전달 방법은 자동차 공학, 전자 장치 및 시스템의 열 관리, 기후 제어, 절연, 재료 가공, 화학 공학 및 발전소 공학과 같은 다양한 분야에서 사용됩니다.

절연성, 복사성 및 저항성

단열재는 전도, 대류 또는 둘 다를 제한하여 열의 흐름을 줄이도록 특별히 설계된 재료입니다.열저항은 물체나 물질이 온도 차이에 대한 열 흐름(시간 단위당 열 또는 열저항)에 저항하는 열 특성 및 측정입니다.

방사광 또는 스펙트럼 방사광은 통과하거나 방출되는 방사선의 양을 측정하는 것입니다.복사 장벽은 복사를 반사하는 물질이므로 복사원에서 발생하는 열의 흐름을 줄입니다.좋은 절연체가 반드시 좋은 복사 장벽은 아니며, 그 반대도 마찬가지입니다.예를 들어, 금속은 우수한 반사체이자 불량한 절연체입니다.

복사 장벽의 효과는 반사된 복사의 비율인 반사율로 표시됩니다.반사율이 높은 물질은 (해당 파장에서) 낮은 방사율을 가지며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.특정 파장에서 반사율=1 - 방사율입니다.이상적인 복사 장벽은 반사율이 1이므로 들어오는 복사의 100%를 반사합니다.이 이상에 접근하기 위해 진공 플라스크 또는 Dewar는 은으로 처리됩니다.우주의 진공에서 위성은 복사열 전달을 크게 줄이고 위성 온도를 조절하기 위해 알루미늄화된 (빛나는) Mylar의 여러 층으로 구성된 다층 단열재를 사용합니다.^[31]

장치들

열 엔진은 열 에너지(열)의 흐름을 기계적 에너지로 변환하여 기계적 작업을 수행하는 시스템입니다.^[32][33]

열전대는 온도 측정 장치이자 측정 및 제어를 위해 널리 사용되는 온도 센서 유형이며 열을 전력으로 변환하는 데에도 사용할 수 있습니다.

열전 냉각기는 전류가 흐를 때 장치의 한쪽에서 다른 쪽으로 열을 펌핑(전달)하는 고체 전자 장치입니다.펠티어 효과를 기반으로 합니다.

열 다이오드 또는 열 정류기는 열이 우선적으로 한 방향으로 흐르게 하는 장치입니다.

열교환기

열 교환기는 보다 효율적인 열 전달 또는 열 방출을 위해 사용됩니다.열교환기는 냉장, 공조, 공간 난방, 발전, 화학 가공 등에 널리 사용되고 있습니다.열교환기의 대표적인 예로는 자동차의 라디에이터를 들 수 있는데, 이 라디에이터는 뜨거운 냉각수 유체가 라디에이터 표면을 흐르는 공기의 흐름에 의해 냉각됩니다.^[34][35]

일반적인 유형의 열교환기 흐름에는 병렬 흐름, 카운터 흐름 및 교차 흐름이 있습니다.평행 흐름에서는 열을 전달하면서 두 유체가 같은 방향으로 이동하고 반대 흐름에서는 유체가 반대 방향으로 이동하며 교차 흐름에서는 유체가 서로 직각으로 이동합니다.일반적인 열교환기 유형에는 쉘 및 튜브, 이중 파이프, 압출 핀 파이프, 스파이럴 핀 파이프, u-튜브 및 적층판이 있습니다.각 유형에는 다른 유형에 비해 특정 장단점이 있습니다.^{[further explanation needed]}

히트 싱크는 고체 물질 내에서 발생한 열을 공기나 액체와 같은 유체 매체로 전달하는 구성 요소입니다.방열판의 예로는 냉장 및 공조 시스템에 사용되는 열교환기 또는 자동차의 라디에이터가 있습니다.히트 파이프는 두 고체 계면 사이의 열을 효율적으로 전달하기 위해 열전도율과 상전이를 결합한 또 다른 열전달 장치입니다.

적용들

건축

효율적인 에너지 사용은 난방이나 냉방에 필요한 에너지 양을 줄이는 것이 목표입니다.건축에서 응축 및 기류는 미용적 또는 구조적 손상을 일으킬 수 있습니다.에너지 감사는 권장 시정 절차의 이행을 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다.예를 들어, 단열 개선, 구조물 누출의 공기 밀봉 또는 에너지 효율이 높은 창문과 문의 추가 등이 있습니다.^[36]

• 스마트 미터는 전기 에너지 사용량을 간격을 두고 기록하는 기기입니다.
• 열 투과율은 구조물을 통한 열의 전달 속도를 구조물 전체의 온도 차이로 나눈 값입니다.kelvin당 제곱미터당 와트 또는 W/(mK²)로 표시됩니다.단열이 잘 된 건물 부분은 열 투과율이 낮은 반면 단열이 잘 안 된 건물 부분은 열 투과율이 높습니다.
• 서모스탯은 온도를 모니터링하고 제어하는 장치입니다.

기후공학

기후 공학은 이산화탄소 제거와 태양 복사 관리로 구성됩니다.이산화탄소의 양이 지구 대기의 복사 균형을 결정하기 때문에 복사 강제력을 줄이기 위해 이산화탄소 제거 기술을 적용할 수 있습니다.태양 복사 관리는 온실가스의 영향을 상쇄하기 위해 태양 복사를 덜 흡수하려는 시도입니다.

대안적인 방법은 적외선 창(8-13 µm)을 통해 우주 공간으로 가는 지상 열 흐름을 향상시키는 패시브 주간 복사 냉각입니다.이 방법은 단순히 태양 복사를 차단하는 것이 아니라 외부 공간의 극도로 추운 온도(~2.7K)로 나가는 장파 적외선(LWIR) 열 복사 열 전달을 증가시켜 주변 온도를 낮추는 동시에 제로 에너지 입력을 요구합니다.^[39][40]

온실효과

온실 효과는 행성 표면의 열복사가 대기 중의 온실가스와 구름에 흡수되어 모든 방향으로 재방사되어 흡수 물질이 없을 때 우주에 도달할 수 있는 열복사량에 비해 우주에 도달하는 열복사량이 감소하는 과정입니다.이러한 방출 복사의 감소는 방출 복사의 속도가 다시 태양으로부터 열이 도달하는 속도와 같아질 때까지 표면과 대류권의 온도를 증가시킵니다.^[42]

인체내 열전달

인체가 열을 전달하는 방법을 결정하기 위해 공학 시스템에서 열 전달의 원리를 인체에 적용할 수 있습니다.열은 몸의 시스템에 에너지를 공급하는 영양소의 지속적인 대사에 의해 몸에서 생성됩니다.^[43]인체가 건강한 신체 기능을 유지하기 위해서는 내부 온도를 일정하게 유지해야 합니다.따라서 과열을 방지하기 위해서는 몸에서 여분의 열을 발산해야 합니다.사람이 높은 수준의 신체 활동을 할 때, 신체는 대사 속도와 열 생산 속도를 증가시키는 추가적인 연료를 필요로 합니다.그런 다음 내부 온도를 건강한 수준으로 유지하기 위해 신체는 추가적인 방법을 사용하여 추가적으로 발생하는 열을 제거해야 합니다.

대류에 의한 열 전달은 유체의 움직임에 의해 본체의 표면 위를 이동합니다.이 대류 유체는 액체 또는 기체일 수 있습니다.본체의 외부 표면으로부터의 열 전달을 위해, 대류 메커니즘은 본체의 표면적, 공기의 속도, 및 피부의 표면과 주변 공기 사이의 온도 구배에 의존합니다.^[44]몸의 정상 온도는 약 37°C입니다.주변의 온도가 정상 체온보다 현저하게 낮으면 열전달이 더 쉽게 일어납니다.이 개념은 추운 환경에 노출되었을 때 커버가 충분하지 않을 때 사람이 추위를 느끼는 이유를 설명합니다.의복은 신체의 덮인 부분에 열 흐름에 대한 열 저항을 제공하는 절연체로 간주될 수 있습니다.^[45]이 열저항으로 인해 옷 표면의 온도가 피부 표면의 온도보다 낮아지게 됩니다.표면 온도와 주변 온도 사이의 이 작은 온도 구배는 피부를 덮지 않은 경우보다 낮은 열 전달 속도를 유발합니다.

신체의 한 부분이 다른 부분보다 크게 뜨겁지 않도록 하기 위해서는 열이 신체 조직을 통해 고르게 분포되어야 합니다.혈관을 통해 흐르는 혈액은 대류 유체의 역할을 하며 신체의 조직 내부에 과도한 열이 축적되는 것을 방지합니다.혈관을 통한 이러한 혈류 흐름은 공학 시스템에서 파이프 흐름으로 모델링될 수 있습니다.혈액이 운반하는 열은 주변 조직의 온도, 혈관의 직경, 유체의 두께, 흐름의 속도, 혈액의 열전달 계수에 의해 결정됩니다.속도, 혈관 직경 및 유체 두께는 모두 유체의 흐름을 특성화하기 위해 유체 역학에서 사용되는 무차원 수인 레이놀즈 수와 관련될 수 있습니다.

증발열 손실이라고도 하는 잠열 손실은 신체 열 손실의 큰 부분을 차지합니다.몸의 코어 온도가 높아지면, 몸은 피부의 땀샘을 유발하여 피부 표면에 추가적인 수분을 가져오게 됩니다.그리고 나서 그 액체는 몸의 표면에서 열을 제거하는 증기로 변합니다.^[46]증발열 손실 속도는 피부 표면의 증기압과 피부에 존재하는 수분의 양과 직접적인 관련이 있습니다.^[44]따라서 열전달의 최대치는 피부가 완전히 젖었을 때 발생합니다.신체는 증발에 의해 지속적으로 수분을 잃지만 신체 활동이 증가하는 기간 동안 가장 큰 양의 열 손실이 발생합니다.

냉각기법

증발냉각

증발 냉각은 수증기가 주변 공기에 추가될 때 발생합니다.물을 증발시키는 데 필요한 에너지는 현열의 형태로 공기에서 취하여 잠열로 전환되는 반면, 공기는 일정한 엔탈피 상태를 유지합니다.잠열은 액체를 증발시키는 데 필요한 열의 양을 말합니다. 이 열은 액체 자체와 주변 기체 및 표면에서 발생합니다.두 온도의 차이가 클수록 증발 냉각 효과가 커집니다.온도가 같을 때는 공기 중 물의 순증발이 일어나지 않으므로 냉각 효과가 없습니다.

레이저 냉각

양자 물리학에서는 레이저 냉각을 사용하여 원자 및 분자 샘플의 절대영도(-273.15°C, -459.67°F)에 가까운 온도를 달성하여 이 열 수준에서만 발생할 수 있는 고유한 양자 효과를 관찰합니다.

• 도플러 냉각은 레이저 냉각의 가장 일반적인 방법입니다.
• 교감 냉각은 한 종류의 입자가 다른 종류의 입자를 냉각시키는 과정입니다.일반적으로 레이저 냉각이 가능한 원자 이온은 근처의 이온이나 원자를 냉각하는 데 사용됩니다.이 기술을 사용하면 레이저로 직접 냉각할 수 없는 이온과 원자를 냉각할 수 있습니다.^[47]

자기 냉각

자기 증발 냉각은 레이저 냉각과 같은 방법으로 미리 냉각한 후 원자 그룹의 온도를 낮추는 과정입니다.자기 냉동은 자기 열량 효과를 이용하여 0.3K 이하로 냉각됩니다.

복사냉각

방사선 냉각은 신체가 방사선에 의해 열을 잃는 과정입니다.나가는 에너지는 지구의 에너지 예산에 중요한 영향을 미칩니다.지구 대기계의 경우, 장파(적외선) 복사가 방출되어 태양으로부터의 단파(가시광선) 에너지 흡수의 균형을 맞추는 과정을 말합니다.열권(대기의 꼭대기)은 주로 이산화탄소(CO₂)가 15μm, 산화질소(NO)가 5.3μm로 복사하는 적외선 에너지에 의해 우주로 냉각됩니다.^[48]열의 대류 수송과 잠열의 증발 수송은 모두 표면의 열을 제거하고 대기 중에 재분배합니다.

열에너지저장

열 에너지 저장에는 나중에 사용하기 위해 에너지를 수집하고 저장하는 기술이 포함됩니다.낮과 밤 사이의 에너지 수요 균형을 맞추기 위해 사용될 수 있습니다.열 저장소는 주변 환경의 온도보다 높거나 낮은 온도로 유지될 수 있습니다.응용 분야에는 공간 난방, 가정용 또는 공정용 온수 시스템 또는 전기 생산이 포함됩니다.

참고 항목

• 강제 대류와 자연 대류를 결합함
• 열용량
• 열전달 강화
• 열전달물리학
• 슈테판-볼츠만 법칙
• 열접촉 컨덕턴스
• 열물리학
• 내열성

참고문헌

외부 링크

• 열전달 교재 - (무료 다운로드).
• 열유체학 - 온라인 열유체학 백과사전.
• 열전달에 관한 초물리학 기사 - 개요
• 계절간 열전달 - 화석연료를 태우지 않고 건물을 난방하기 위해 열전달이 어떻게 사용되는지를 보여주는 실제적인 예입니다.
• 캠브리지 대학의 열전달 양상
• 열-유체 중앙
• 에너지 2D:모두를 위한 대화형 열전달 시뮬레이션