열 기초의 열과 에너지, 에너지 불변의 법칙, 물체의 상태변화, 전열

열의 이동

 

열 기초 개념이 확립되면 일상생활에서 경험으로만 해결할 수 없는 문제를 해결할 수 도 있다.

우리의 일상생활에서는 열이 많다, 적다, 또는 열이 높다, 낮다는 말을 흔히 사용하고 있다. 그러나 그와 같은 열의 현상을 수치로 나타내거나 이론적 결론을 유도하려면 열에 관한 구체적인 '열의기초' 개념이 머릿속에 확립되어 있어야 가능하다. 이론적 기초개념이 없이 막연하게 경험먄을 내세워 손쉽게 해결책을 모색하려 하다가는 자칫하면 예기치 않은 오류를 범하여 사간적으로나 금전상으로 큰 손해를 보는 일이 허다할 수 도 있다. 

열과 에너지

열을 다루는 일은 어느 한계를 넘어서면 열 공학적 지식을 도입해야 합리적 해결책이 가능하다. 열은 물리적 ,화학적, 전기적 작용에 의하여 일어나는 것이며, 일반적으로 에너지라 부른다. 물질과 물질을 서로 마찰시키면 열이 생긴다. 이것은 물리적 열의 발생이다. 나무와 나무를 바복하여 심하게 마찰시키면 나무가 타기도 하는데, 탄다는 것은 산화작용이므로 화학적 반응이며, 그 화학반응으로 인하여 다시 열이 생기는 것이다. 여러 종류의 연료는 연소 즉, 산화라는 화학반응을 통하여 열을 발생하는 물질이다.

연소열은 어느 물체를 직접 가열하는데 쓰여지기도 하지만 , 그 열로 물을 끓여 증기를 발생시켜서 기차를 움직이게도 한다. 피스톤이 움직여 일을 하게 되는 것이다. 즉, 열에너지가 기계에너지 또는 일에너지로 변환된 것이다. 이와 같이 열에너지, 전기에너지, 화학에너지, 기계에너지, 일에너지 등 여러 형태로 에너지가 변하는 현상을 에너지의 변환이라고 한다.

열공학 또는 에너지를 다루는 일은 이미 오래전에 많은 과학적 연구가들에 의하여 공학적 이론이 확립되어 있으므로 그것을 충분히 활용하여 에너지의 효율적 운영 문제를 해결할 수 있는 것이다.

에너지 불변의 법칙

에너지는 여라가지 형태로 존재하며 능력을 뜻하는 것이다. 열역학에서 다루는 것은  기계적 에너지, 내부 에너지, 열 에너지 등이다. 이들 에너지는 서로 일정한 관계식에 따라 변환하는 것이 증명되어 '에너지 불변의 법칙'이 성립되었다.

다시 말하면 에너지는 창조할 수도 없으며 또한 소멸시킬 수도 없는 것이다. 따라서 이 원리를 '에너지 불변의 법칙'이라고도 한다. 이 원리에 따라 모든 형태의 에너지는 서로 전환시킬 수 있는 것으로 확인되었다.

물체의 상태변화

물체를 가열 또는 냉각 시키면 물체의 온도변화가 생기며, 경우에 따라서는 융해 또는 증발과 같은 물체의 상태변화가 일어난다. 이러한 상태변화는 그 물체의 내부 에너지의 변화에 기인한다. 물을 가열할 때 어느 일정 온도까지는 온도가 상승하나 어느 일정 온도에 도달하면 온도의 상승은 일어나지 않고 물이 증발되는데, 이때의 가열된 열량은 온도를 올리는데 쓰이지 않고 물을 증발시키는 역할을 하게 되는 것이다. 바꾸어 말하면 물체의 상태변화가 일어날 때에는 그 물체 내부의 에너지 값도 달라지는 것이다.

전열

고체 액체 기체 상태의 물체의 열은 열복사, 열전도, 대루전열의 방법으로 항상 이동하고 있다. 대부분의 경우 위의 3가지 중 1가지 방법만으로 열이 이동하는 것이 아니라 복합적 형상으로 열이 이동되는 것이다.

복사 

물체가 가지고 있는열은 복사에 의해 그 열을 상실하고 있다. 열에너지는 빛과 같은 전자파가 되어 전달되고 물체가 전자파를 받으면 전자파는 열의 형태로 변호한다. 복사 열량은 물체의 조건에 따라 흡수되거나 반사되기도 한다. 그러나 복사 열량은 복사 물체 자체의 온도에 관계될 뿐이며, 물체의 성질에는 관계가 없다. 입사 에너지를 전부 흡수하는 물체를 흑체라고 한다. 태양의 열 에너지가 진공상태인 우주 공간을 지나서 지구에 도달하는 것은 태양의 열복사 작용에 의한 것이다. 천정의 높이가 너무 높거나 공간이 너무 큰 공장 등에서 실내의 공기 온도를 올리기 어려울 때 필요한 개소만을 부분적으로 복사 난방하는 것은 이 원리를  이용하여 실내공기의 온도를 올리지 않고 열이 필요한 사람에게만 직접 열을 줄 수 있기 때문이다.

대류

같은 물질의 유체라도 온도차이에 따라 비중차가 생긴다. 우체에 열을 가하면 열을 받은 만큼 부피가 커지고, 따라서 상대적으로 비중이 작아지므로 자연 대류현상이 일어나며, 이때 전열현상도 일어난다. 대류현상에는 위에서 설명한 자연 대류현상과 동력을 이용한 강제대류가 있다.

열전도

물체 내부에서 눈에 보이는 운동이 없이 열이 전달되는 현상을 말한다. 일반적으로 전기의 전도가 좋은 물체가 열의 전도도도 높다. 모든 물체는 그 성질에 따라 열전도량이 각각 다르다. 이와같이 그 물체에 따라 고유한 열전도 능력을 열전도율로써 표시하고 있다.