열전달 (Heat Transfer)
열전달은 열에너지가 물체나 물질을 통해 이동하는 현상을 말합니다. 주된 방법에는 세 가지가 있습니다: 전도, 대류, 복사입니다.
첫째, 전도는 고체 내에서 열이 이동하는 방식으로, 주로 금속 같은 잘 전도하는 물질에서 일어납니다. 예를 들어, 뜨거운 프라이팬의 손잡이가 뜨거워지는 현상이 전도입니다.
둘째, 대류는 유체 내에서 열이 이동하는 방식으로, 액체와 기체에서 주로 발생합니다. 예를 들어, 물을 끓일 때 뜨거운 물이 위로 올라가고 차가운 물이 아래로 내려오는 현상이 대류입니다.
셋째, 복사는 열이 물질을 통과하지 않고 에너지 형태로 이동하는 방식입니다. 주로 적외선 형태로 발생하며, 예를 들어, 태양열이 지구로 전달되는 현상이 복사입니다.
각각의 열전달 방식은 우리 주변 환경과 많은 공학적 응용에 중요한 역할을 합니다. 이를 통해 에너지 효율을 높이고, 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있습니다.
화재로 인해 발생된 열은 다양한 형태로 주변으로 전달되고 이러한 열의 흐름은 기본적인 화재현상의 이해뿐만 아니라 화재안전설계 및 감지설비등과 같은 응용분야에 있어서 매 우 중요한 요소가 된다.
The heat generated by the fire is transferred to the surroundings in various forms, and this heat flow becomes a very important factor not only in understanding basic fire phenomena but also in applications such as fire safety design and detection facilities.
본 장에서는 화재현상을 이해하기 위한 기초적인 학문분야로서 열 전달에 대한 기본적인 개요와 열전달의 3가지 기본 모드인 전도(conduction), 대류 (convection), 복사(radiation)에 대해 소개한다.
This chapter introduces a basic overview of heat transfer and three basic modes of heat transfer: conduction, convection, and radiation as basic academic fields for understanding fire phenomena.
열전달의 기본모드
열(heat)은 일상에서 비교적 널리 사용되는 용어이지만 눈에 보이거나 만져지지 않는 물 리량으로써 일반적으로 열전달은 온도차에 기인하여 한 물체에서 다른 물체로의 에너지 전 달과정을 의미한다. 이러한 열의 흐름을 열전달로 정의하고 기본적으로 3가지 형태의 열전 달 모드가 존재한다.
Heat is a relatively widely used term in everyday life, but it is a visible or untouched physical quantity, and heat transfer generally refers to the process of energy transfer from one object to another due to temperature differences. We define this heat flow as heat transfer and basically there are three types of heat transfer modes.
봉을 불에 가열하면 고체 매질인 봉을 따라 열이 전달되전달된 어 봉을 잡은 손이 뜨거워지게 되는데 이는 전도열전달에 기인한 것이고, 화염부에서는 연 소반응에 기인한 열기류(thermal flow)에 의해 상승유동이 발생하고 주변기체와의 혼합 등 을 통해 열이 유동에 의해 직접 상부로 전달되는데 이와 같은 유체의 유동(bulk flow)에 의한 열전달을 대류열전달이라 한다.
한편 화염 근처에서 고체매질을 통하지 않고, 유체 유 동에 의해 열이 전달되지 않음에도 화염으로부터의 온기를 느낄 수 있는데 이는 태양으로부터 지구로의 열전달과 같이 복사열에 의해 서로 다른 온도의 물질사이에 일어나는 복사열전달에 기인한다. On the other hand, the warmth from the flame can be felt even though heat is not transferred by fluid flow without going through solid media near the flame, which is due to radiant heat transfer between materials at different temperatures, such as heat transfer from the sun to Earth.
일상에서 열전달 현상은 어느 한 가지 모드에 의해서만 일어나는 것이라기보다는 두 개 이상의 복합적인 모드에 의해 열전달이 이루어는 것이 대부분이고 다양한 형태의 열전달 가운데 어떠한 열전달 모드가 물리적 현상을 지배하고 있는지를 파악하는 것이 보다 현실 적인 접근방법이 되는 경우가 많다.
예를 들어, 화재 발생 초기에는 화재실 내부의 온도가 상대적으로 낮고 화재강도가 크지 않기 때문에 화재실 내부의 열전달을 지배하는 모드는 대류열전달이 된다.
그러나 화재가 성장하여 화재실 내부 온도가 상승하여 전실화재(flashover)단계에 도달하게 되면 화재실 내부의 주요 열전달 메커니즘은 대류열전달에 의한 영향에 비해 복사열 전달에 의한 영향이 점차 증가하게 된다. 이와 같이 열전달 특성은 항상 일정한 것이 아니 라 여러 가지 조건에 따라 지속적으로 변화하기 때문에 각 조건에 대한 정량적인 평가를 통하여 주요 열전달 메커니즘을 이해하는 것이 중요하다.
As such, it is important to understand the major heat transfer mechanisms through quantitative evaluation of each condition because heat transfer characteristics are not always constant but continuously change according to various conditions.
열전달의 기본 용어 및 차원
열전달에서는 주로 단위시간당 전달된 에너지량을 정의하기 때문에 항상 시간을 고려하 게 되고 단위시간당의 에너지 단위인 동력의 단위를 적용하게 되고 와트(Watt, W)를 이용하여 열의 흐름을 정량화한다. 때때로 물리량은 시간당 혹은 면적당과 같이 단위량에 기초한 표기가 편리한 경우가 많 다. Sometimes physical quantities are convenient to indicate based on unit quantities, such as per hour or per area.
예를 들어 질량(m)에 대하여 단위시간당의 질량은 질량유량(mass flow)로 정의되고 다음과 같이 점(dot)을 이용하여 표기한다. 단위 면적당의 물리량은 더블프라임(“)을 이용하여 표기하고 질량유량의 경우 질량플럭 스(mass flux)가 된다. 절대온도(absolute temperature): 절대영도인 -273.15℃를 기준으로 온도단위를 나타 내는 온도로써 섭씨온도와 절대온도 사이에는 다음과 같은 관계가 있다