온도 차이에 의한 열전달: 엔지니어링 열역학 및 열전달의 응용 분야와 차이점

우리가 살고 있는 무수한 세계에서는 다양한 과정이 끊임없이 일어나며, 그 중 인간의 생존과 가장 밀접한 관련이 있는 물리적 과정 중 하나는 열에너지의 전달입니다. 현대식 건물의 중앙 냉방부터 서리, 비, 눈과 같은 자연 기상 현상의 형성, 우주선의 대기권 재진입 시 열 보호 문제, 전자기기의 효과적인 냉각, 계절에 따른 사람들의 의복 변화, 음식의 냉동 보관에 이르기까지 모든 것이 열 전달 과정과 밀접한 관련이 있습니다.

열전달 연구는 온도 차이로 인한 열 또는 에너지 전달의 법칙을 연구하는 학문입니다. 열역학 제2법칙에 따르면 온도 차이가 있는 곳에서는 열이 자연스럽게 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동합니다. 이렇게 전달된 열을 흔히 열에너지라고 합니다.

온도 차이는 자연과 다양한 생산 기술 분야 어디에서나 존재하며, 열 전달은 매우 일반적인 물리적 현상입니다. 예를 들어, 자연에서 바람은 두 곳의 온도 차이로 인해 발생하며, 공기가 온도가 높은 지역에서 낮은 지역으로 흐르고 지구 자전의 영향을 받아 바람을 형성합니다. 해류와 태풍도 물이나 공기의 이동으로 이어지는 온도 차이로 인해 발생합니다. 산업 생산에서 탄소섬유 히팅 튜브를 사용하여 제품을 가열하려면 히팅 튜브에서 가열된 재료로 열을 전달하는 또 다른 열 전달 과정도 포함됩니다.

열전달의 법칙은 주로 단위 시간당 전달되는 열의 양을 물체 내의 온도 차이와 관련시킵니다. 이 법칙을 반영하는 1단계 관계가 열전달 속도 방정식이 됩니다. 다음 글에서는 특정 단순화 된 조건에서 세 가지 기본 열전달 모드의 속도 방정식에 대해 설명하겠습니다. 더 깊은 수준의 연구는 다양한 조건에서 물체 내의 다양한 지점에서의 온도 분포를 찾는 것입니다.

열전달 연구와 공학 열역학은 모두 열 현상과 관련된 학문입니다. 중국의 공학 교육 부문에서는 이 두 과정을 통칭하여 열공학 과정이라고 부릅니다. 이 두 과학 분야의 근본적인 차이점은 다음과 같이 설명할 수 있습니다: 공학 열역학은 온도 차이나 압력 차이가 없는 평형 상태의 시스템을 연구하는 반면, 열전달은 정반대인 온도 차이와 관련된 열전달 법칙을 연구합니다. 예를 들어, 강철 주괴를 오일 욕조에서 1000°C에서 100°C로 냉각하는 과정을 생각해 보세요. 열역학은 이 냉각 과정에서 강철괴 1kg당 손실되는 열과 오일 배스에서 흡수되는 열을 연구하지만, 열역학으로는 이 온도 시스템이 평형에 도달하는 데 걸리는 시간을 알 수 없습니다. 이 시간은 오일 배스의 온도, 오일의 움직임, 오일의 물리적 특성 등에 따라 달라지며, 열전달 연구는 바로 이 점을 정확히 파악합니다.

또한 위에서 언급한 근본적인 차이로 인해 열역학과 열전달에 사용되는 물리적 매개변수에는 차이가 있습니다. 열역학에서는 물리량에 시간이 포함되지 않는 반면, 열전달에서는 주요 물리량이 시간으로 표시되므로 열전달은 단위 시간당 얼마나 많은 열 에너지를 전달할 수 있는지에 더 관심을 갖습니다. 반면 열전달 연구는 공학적 열역학과 밀접한 관련이 있는데, 모든 열전달 과정의 분석에는 열역학 제1법칙, 즉 에너지 보존 법칙을 사용해야 합니다. 열역학 제1법칙은 폐쇄형 시스템과 개방형 시스템 모두에 적용될 수 있으며, 각 유형의 시스템은 정상 상태와 불안정 상태를 모두 가지고 있습니다. 열 전달의 관점에서 볼 때, 소위 정상 상태 프로세스는 시스템의 각 지점의 온도가 시간에 따라 변하지 않는 프로세스인 반면, 비정상 상태 프로세스에서는 각 지점의 온도가 시간에 따라 변합니다.

앞으로 고체의 열전도에 대한 논의에서는 닫힌 시스템에서는 열역학 제1법칙을 사용하고, 대류 열전도에 대한 연구에서는 열린 시스템을 사용해야 합니다. 또한 열에너지가 한 매질에서 다른 매질로 전달될 때, 열전달 과정이 안정적이든 불안정하든, 고체와 액체 사이의 계면에서 앞서 언급한 오일 욕조에서 강철 잉곳의 냉각 과정과 같이 두 매체 사이의 계면에도 에너지 보존의 원리가 적용되어야 하며, 고체에서 액체로 전달되는 열과 액체에서 고체로 흡수되는 열은 주어진 시간에 같다고 믿습니다. 중학교 물리학에서 언급되는 에너지 균형과 열 균형의 개념은 사실 열역학 제1법칙의 간단한 용어입니다.

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