The following is a brief overview of some fundamental heat transfer concepts. To learn more, the reader is encouraged to review the source publications and cited websites
열역학에 대하여
열역학 제1법칙 및 제2법칙
열역학 제1법칙은 에너지 보존의 법칙입니다. 이 법칙은 다른 에너지 물질이 들어오거나 나갈 수 없도록 닫혀있는 시스템에서는 에너지가 생성되거나 소멸될 수 없음을 말하고 있습니다.1, 2 에너지는 생성 또는 소멸될 수는 없지만 다른 형태의 에너지로 변환될 수는 있습니다.
열 에너지의 변환에는 열역학 제2법칙이 적용됩니다.3 제2법칙(여기에서도 닫힌 시스템에 적용)은 자연적 과정에서 전체 엔트로피4(즉, 시스템 내에 존재하는 무질서의 수준5)가 증가한다고 말합니다.
제2법칙은 세 가지의 다른 방식으로도 설명될 수 있습니다.
열은 자연적으로 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐릅니다(예: 뜨거운 마이크로프로세서 또는 레이저 다이오드는 히트 싱크 또는 냉각판으로 열이 흘러감으로 인해 냉각됨).
열을 온전히 유용한 것로 변환시키는 것은 불가능합니다.(예: 화력 엔진에서는 반드시 일정량의 열이 유용하게 변환되지 않고 배출됩니다.)
모든 격리 시스템은 시간이 흐름에 따라 무질서해집니다.(예: 뜨거운 물체와 차가운 물체가 서로 접촉하는 전도에서 처음에는 시스템에 어느 정도의 질서가 유지되어 있습니다. 즉, 뜨거운 분자가 차가운 분자보다 더 빠르게 움직입니다. 그러나 전체 시스템이 균일한 온도에 도달하면 이러한 질서가 없어집니다.)
수학적으로 표현하면, 위의 각 설명은 나머지 두 개의 설명을 함축하는 것입니다.6
열역학 제1법칙과 제2법칙은 전도, 대류 및 복사와 같은 다양한 열전달 모드에 적용됩니다.
열전달 모드
전도
전도에서는 열이 고온 영역에서 저온 영역으로 흐릅니다. 전도는 서로 직접적인 물리적 접촉이 이루어지는 다양한 고체, 액체 또는 기체 간에 발생합니다.7 "인접한 분자 간의 운동 에너지 전달은 열의 전도를 발생시킵니다. 기체에서는 '뜨거운' 분자가 더 많은 에너지와 운동을 가지고 있으며 에너지 수준이 더 낮은 인접 분자로 에너지를 전달합니다. 이러한 유형의 전달은 온도 기울기가 존재하는 모든 고체, 액체 및 기체에서 대부분 발생합니다. 전도에서는 에너지가 "자유" 전자에 의해 전달될 수도 있는데, 이는 금속성 고체에 있어 중요한 것입니다."8 전도의 예로는 냉각판 표면 또는 냉장고 벽을 따라 이루어지는 열전달을 들 수 있습니다.
대류
대류에서 열 전도, 에너지 저장 및 혼합 모션의 결합 된 작용은 에너지를 운반하는 역할을합니다. "대류는 고체 표면과 액체 또는 가스 사이의 에너지 전달 메커니즘으로 가장 중요합니다." 9 "강제 대류 열 전달에서 펌프, 팬 또는 기타 메커니즘에서 유체가 고체 표면을 지나 흐르도록 강요합니다. 자연 또는 무료 대류에서, 고체 표면 옆에 있는 온온 또는 쿨러 유체는 유체의 온도 차이로 인한 밀도 차이로 인해 순환을 일으킵니다." 10 무료 대류의 예는 열 교환기의 지느러미를 통해 주변 공기로 열을 잃는 것입니다. 팬이 열교환기 지느러미 위로 공기를 순환하는 데 사용되는 경우, 이것은 강제 대류의 예가됩니다.
복사
복사에서는 공간(진공 공간 포함) 내에서 분리되어 있는 고온의 물체에서 저온의 물체로 열이 흐릅니다.11 "빛의 전달에 적용되는 것과 동일합 법칙이 열전달에도 적용됩니다. 고체와 액체는 복사열을 흡수하려는 경향이 있기 때문에 복사는 주로 공간 또는 가스를 통한 전달에 있어 중요합니다."12
복사의 예로는 태양에서 지구로 전달되는 열, 그리고 차가운 물체를 가열하는 쿼츠 램프를 들 수 있습니다.
열 전달의 수학적 표현 및 계산
푸리에 공식
"1822년 프랑스 과학자 J.B.J. 푸리에(Fourier)가 제안한 대류에 의한 열전달의 기본 관계는 다음과 같습니다.
전도에 의한 특정 물질의 열 흐름 속도(qk)는 다음 세 가지 수량에 의해 결정됩니다.
- k - 재료의 열 전도
- A - 열흐름의 방향에 수직으로 측정된 전도에 의해 열이 흐르는 단면의 영역
- dT/dx - 단면도의 온도 그라데이션, 즉 열 흐름 x의 방향의 차이에 대하여 온도 T의 변화 속도.
수학 형태로 열 전도 방정식을 작성하려면 서명 규칙이 필요합니다. 즉, 거리 x를 증가하는 방향은 양열 흐름의 방향이다. 열역학의 두 번째 법칙에 따르면, 열은 자동으로 더 높은 온도의 지점에서 낮은 온도의 지점으로 흐르게 됩니다. 따라서 온도 그라데이션이 음수일 때 열 흐름이 양수입니다. 정상 상태에서 1차원 전도에 대한 기본 방정식은 qk = -kA(dT/dx)"13입니다.
열 전도성
열 전도성은 주어진 물질이 열을 전달하는 속도입니다.14 "물질의 열 전도성은 1평방 센티미터의 단면을 가진 1센티미터 두께의 물체에서, 물체의 고온 측과 저온 측의 온도차가 섭씨 1도일 때 해당 물체를 통과하는 열량을 초당 칼로리로 측정한 값입니다."15 이 본질적 특성은 물질의 크기, 형태 또는 방향과 상관이 없습니다.
열 저항
열 저항은 열 전도성의 역으로서 물질이 열 전도를 얼마나 억제하는지를 나타냅니다.16 열 전도성이 높은 물질은 열 저항이 낮으며 열악한 단열 성질을 가집니다(예: 구리 및 알루미늄). 반대로, 열 전도성이 낮은 물질은 열 저항이 높으며 뛰어난 단열 성질을 가집니다(예: 섬유 유리 단열재 및 코르크판).17
참조
1. https://www.chemistry.ohio-state.edu/~woodward/ch121/ch5_law.html.
2. https://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node78.html.
3. 아이비드.
4. http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html.
5. 마이크로 소프트 엔카르타 세계 영어 사전, 세인트 마틴의 언론, 1999, Pp 596.
6. 드 소르고, 미사, 아이비드.
7. 드 소르고, Miksa, "단계 변경 재료 이해", 일렉트로닉스 쿨링 매거진, 5월. 2002
8. http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html.
9. 크라이스, 프랭크, 열 전송의 원리, 2판, 콜로라도 대학교 국제 교과서 주식회사, 제1장, Pp 6.
10. 교통 프로세스 및 단위 운영, 3 판, 크리스티 Geankopolis, 미네소타 프렌티스 홀 대학, 제 4, Pp 215.
11. 크라이스, 프랭크, 열 전송의 원리, 2판, 콜로라도 대학교 국제 교과서 주식회사, 8쪽.
12. 교통 프로세스 및 단위 운영, 3 판, 크리스티 Geankopolis, 미네소타 프렌티스 홀 대학, 제 4, Pp 216.
13. 크라이스, 프랭크, 열 전송의 원리, 2판, 콜로라도 대학교 국제 교과서 주식회사, Pp 7.
14. 교통 프로세스 및 단위 운영, 3 판, 크리스티 Geankopolis, 미네소타 프렌티스 홀 대학, 제 4, Pp 216.
15. 크라이스, 프랭크, 열 전송의 원리, 2판, 콜로라도 대학교 국제 교과서 주식회사, Pp 9.
16. 교통 프로세스 및 단위 운영, 3 판, 크리스티 Geankopolis, 미네소타 프렌티스 홀 대학, 제 4, Pp 216.
17. http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node75.html.
18. http://www.lib.umich.edu/dentlib/dental_tables/thermcond.html.
19. http://www.xrefer.com/entry/619844.
