열역학 - 물리적 원인, 비율방정식, 전도

열역학에서 에너지가 주위 시스템의 작용에 따라 변화될수 있다는 것을 알았다. 이것을 일과 열이라고 한다. 열역학은 상호작용 동안의 마지막 단계의 과정을 다루지만 상호작용의 본질 또는 그 작용의 시간의 비율의 관계에 관한 정보는 주지 않는다.
이 교과의 목적은 열변환 모델의 연구와 열 변환율 계산과 관계의 발전을 통해 열역학적인 분석을 확장시키는 것이다. 이 장에서는 교과서에서 취급하는 많은 물질들에 대한 기초를 두고 있다. 또한 몇가지 질문을 할수 있다. “열전달이란 무엇인가?” “열이 어떻게 전달 되는가?” “이것을 공부하는 것이 왜 중요한가?” 이런 질문들의 대답을 통해서 열전달 과정을 물리적 메카니즘과 우리 산업과 환경문제에서 이들 과정의 연관성을 이해하게 될 것이다.

* What and How?
예로써 일반적으로 정의가 질문에 많은 답을 제공한다.“열전달이란 무엇인가”
열전달이나 열은 온도 차이에 의하여 변화의 에너지이다.
매개물안이나 매개물 사이에서 온도차이가 존재하면 항상 열전달은 일어나야 한다.
모델들의 열전달 과정의 다른 형태를 참고한다. 온도 변화가 움직이지 않는 고체와 유체의 매개물 안에서 존재할 때, 우린 매개물을 가로질러 발생하게 될 열전달을 “전도”라고 한다. 반대로 “대류”라는 말은 표면과 움직이는 유체가 다른 온도를 가질 때 서로 일어나게 되는 열전달을 말한다. 열전달의 세 번째 방식은 열복사이다. 한정된 온도의 모든 표면에서 전자파 형태의 에너지를 내뿜는다. 그러므로 중간 매개물이 없을 때 다른 온도의 두 개의 표면 사이에 복사에 의한 순수 열전달이 있다.


* 물리적 원인들과 비율방정식
공학도로써 열전달 모델이 명시된 물리적 메카니즘을 이해하는 것과 단위시간당 전달되는 에너지의 총량을 측정하는 비율방정식을 사용할수 있게 된 것은 중요하다.

* Conduction(전도)
전도라는 말을 하면서 바로 원자와 분자의 활동이라는 개념을 생각해야 한다. 왜냐하면 이것이 열전달의 방법을 알게해주는 이런 단계의 과정이기 때문이다. 전도는 입자물 사이의 상호작용으로 담겨진 좀더 활동적인 분자부터 덜 활동적인 분자까지의 에너지 전달로 볼수 있다.
전도라는 물리적인 메카니즘은 열역학적인 배경으로 밀접한 생각을 사용한 “기체”라고 간주하면 가장 쉽게 설명된다. 기체는 열 경사도가 존재하고 정적운동을 하는 것으로 가정한다. 그림 1.2에서 보는 것과 같이 기체는 다른 온도를 가진 두 표면들 사이의 공간을 점유하고 있다. 기체분자의 에너지를 가진 임의의 점에서 가장 가까운 점의 온도를 연결한다. 이 에너지는 분자내부의 회전운동, 진동운동과 같은 불규칙한 병진운동과 밀접한 관계가 있다.
높은 온도는 더 높은 분자에너지와 결합한다. 그리고 분자가 계속운동함에 따라서 이웃하는 분자와 충돌하면 높은 에너지에서 낮은 에너지로의 열전달은 일어난다. 온도 기울기에서와 같이 에너지는 전도에 의해서 온도가 낮아지는 방향으로 발생한다. 이런 전달은 그림 1.2에서와 같이 명백하다. 가상적인 평면에서 Xo는 분자의 불규칙적인 운동 때문에 위와 아래로 가로 질러 진다. 그러나 윗쪽에 있는 분자들은 아래쪽에 잇는 것보다 더 높은 온도로 결합된다. 이것은 X의 양의 방향으로 에너지의 순수 전달에 기인한다. 결국 다른 에너지를 가진 분자의 불규칙적인 운동 때문에 에너지의 순수 전달이 발생한다고 할 수 있다.