추운 겨울날 카펫 위를 걸을 때 발이 차갑게 느껴지지 않습니다. 그러나 욕실의 타일 바닥에 발을 딛 으면 발이 즉시 쌀쌀함을 느낍니다. 두 층의 온도가 어떻게 다른가요?
열 평형에 대해 알고있는 것을 감안할 때 확실히 예상하지 못할 것입니다. 그렇다면 그들은 왜 그렇게 다르게 느끼나요? 그 이유는 열전도율 때문입니다.
열전달
열은 온도 차이로 인해 두 재료간에 전달되는 에너지입니다. 열 평형에 도달 할 때까지 열은 고온의 물체에서 저온의 물체로 흐릅니다. 열 전달 방법에는 열 전도, 대류 및 복사가 포함됩니다.
열의전도이 모드는이 문서의 뒷부분에서 자세히 설명하지만 간단히 직접 접촉을 통한 열 전달입니다. 본질적으로 따뜻한 물체의 분자는 두 물체가 같은 온도가 될 때까지 충돌을 통해 더 차가운 물체의 분자로 에너지를 전달합니다.
에전달, 열은 움직임을 통해 전달됩니다. 추운 겨울날 집안의 공기를 상상해보십시오. 대부분의 히터가 일반적으로 바닥 근처에 있다는 것을 알고 있습니까? 히터가 공기를 데우면 그 공기가 팽창합니다. 팽창하면 밀도가 낮아져 시원한 공기 위로 올라갑니다. 그러면 더 차가운 공기가 히터 근처에 있으므로 공기가 따뜻해지고 팽창 할 수 있습니다. 이 사이클은 대류 전류를 생성하고 열 에너지가 가열 될 때 공기를 혼합하여 실내 공기를 통해 분산되도록합니다.
원자와 분자가 전자기 방출방사능, 그것은 공간의 진공을 통해 이동할 수있는 에너지의 한 형태입니다. 이것이 따뜻한 불의 열 에너지가 여러분에게 도달하는 방법과 태양의 열 에너지가 지구로가는 방법입니다.
열전도율의 정의
열전도율은 열 에너지가 재료를 통해 얼마나 쉽게 이동하는지 또는 해당 재료가 열을 얼마나 잘 전달할 수 있는지를 측정 한 것입니다. 열 전도가 얼마나 잘 발생하는지는 재료의 열적 특성에 따라 다릅니다.
처음의 예에서 타일 바닥을 고려하십시오. 카펫보다 더 나은 지휘자입니다. 느낌만으로 알 수 있습니다. 발이 타일 바닥에 있으면 카펫 위에있을 때보 다 열이 훨씬 더 빨리 떠납니다. 이것은 타일이 발의 열이 훨씬 더 빠르게 이동할 수 있도록하기 때문입니다.
비열 용량 및 잠열과 마찬가지로 전도도는 재료에 특정한 특성입니다. 그리스 문자 κ (카파)로 표시되며 일반적으로 테이블에서 조회됩니다. 전도도의 SI 단위는 와트 / 미터 × 켈빈 (W / mK)입니다.
열전도율이 높은 물체는 좋은 전도체이고 열전도율이 낮은 물체는 좋은 절연체입니다. 열전도율 값 표가 여기에 제공됩니다.
보시다시피 금속과 같이 만지면 "차갑게"느껴지는 물체는 좋은 전도체입니다. 단열재 공기가 얼마나 좋은지 주목하십시오. 이것이 큰 푹신한 재킷이 겨울에 당신을 따뜻하게 해주는 이유입니다. 스티로폼은 또한 우수한 단열재이기 때문에 음식과 음료를 따뜻하게 또는 차갑게 유지하는 데 사용됩니다.
열이 재료를 통과하는 방법
열이 재료를 통해 확산되면 열원에 가장 가까운 끝에서 가장 먼 끝까지 재료 전체에 온도 구배가 존재합니다.
열이 재료를 통과하고 평형이 이루어지기 전에 열에 가장 가까운 끝 소스가 가장 따뜻할 것이고 온도는 먼 곳에서 가장 낮은 수준으로 선형 적으로 감소합니다. 종료. 그러나 재료가 평형에 가까워지면이 기울기는 평평 해집니다.
열 전도율 및 열 저항
물체를 통해 열이 얼마나 잘 이동할 수 있는지는 물체의 전도도뿐만 아니라 물체의 크기와 모양에 따라 달라집니다. 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 열을 전달하는 긴 금속 막대를 상상해보십시오. 단위 시간당 통과 할 수있는 열 에너지의 양은 막대의 길이와 막대 주변의 크기에 따라 다릅니다. 이것이 열 전도의 개념이 작용하는 곳입니다.
철제 막대와 같은 재료의 열 전도도는 다음 공식으로 지정됩니다.
C = \ frac {\ kappa A} {L}
어디ㅏ재료의 단면적입니다.엘길이이고 κ는 열전도율입니다. 컨덕턴스의 SI 단위는 W / K (켈빈 당 와트)입니다. 이를 통해 κ를 단위 두께 당 단위 면적의 열 전도율로 해석 할 수 있습니다.
반대로 열 저항은 다음과 같이 제공됩니다.
R = \ frac {L} {\ kappa A}
이것은 단순히 전도도의 역입니다. 저항은 통과하는 열 에너지에 얼마나 많은 반대가 있는지를 나타내는 척도입니다. 열 저항도 마찬가지로 1 / κ로 정의됩니다.
열 에너지 비율큐길이를 따라 이동엘끝단 사이의 온도 차이가ΔT공식은 다음과 같습니다.
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L}
다음과 같이 작성할 수도 있습니다.
\ frac {Q} {t} = C \ 델타 T = \ frac {\ 델타 T} {R}
이것은 전기 전도에서 전류로 발생하는 것과 직접적으로 유사합니다. 전기 전도에서 전류는 전압을 전기 저항으로 나눈 값과 같습니다. 전기 전도도 및 전류는 열 전도도 및 전류와 유사합니다. 전압은 온도 차이와 유사하고 전기 저항은 열과 유사합니다. 저항. 모두 동일한 수학이 적용됩니다.
응용 프로그램 및 예
예:얼음으로 만든 반구형 이글루는 내부 반경이 3m이고 두께가 0.4m입니다. 열은 얼음의 열전도율에 따라 달라지는 속도 (κ = 1.6 W / mK)로 이글루를 빠져 나갑니다. 이글루 내부가 외부 -30 ° C 일 때 이글루 내부의 온도를 5 ° C로 유지하기 위해 이글루 내부에서 열 에너지가 지속적으로 생성되어야하는 비율은 얼마입니까?
해결책:이 상황에서 사용할 올바른 방정식은 이전 방정식입니다.
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L}
κ가 주어집니다.ΔT내부와 외부의 온도 범위 차이 일뿐입니다.엘얼음의 두께입니다.ㅏ조금 더 까다 롭습니다. 찾다ㅏ반구의 표면적을 찾아야합니다. 이것은 4π 인 구 표면적의 절반입니다.아르 자형2. 에 대한아르 자형, 평균 반경 (이글루 내부 반경 + 얼음 두께의 절반 = 3.2m)을 선택할 수 있으므로 면적은 다음과 같습니다.
A = 2 \ pi r ^ 2 = 2 \ pi (3.2) ^ 2 = 64.34 \ text {m} ^ 2
모든 것을 방정식에 연결하면 다음이 제공됩니다.
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L} = \ frac {1.6 \ times 64.34 \ times 35} {0.4} = 9,000 \ text {Watts}
신청:방열판은 고온의 물체에서 공기 또는 액체로 열을 전달한 다음 과도한 열 에너지를 전달하는 장치입니다. 대부분의 컴퓨터에는 CPU에 방열판이 부착되어 있습니다.
방열판은 금속으로 만들어져 CPU에서 열을 전달한 다음 작은 팬이 방열판 주변의 공기를 순환시켜 열 에너지를 분산시킵니다. 올바르게 수행되면 방열판을 통해 CPU가 안정된 상태에서 작동 할 수 있습니다. 방열판이 얼마나 잘 작동하는지는 금속의 전도도, 표면적, 두께 및 유지할 수있는 온도 구배에 따라 다릅니다.