대류 : 특성, 예, 응용 - 물리적 인 - 2025

대류 열이 다른 따뜻한 냉각 한 영역에서 전송되는 세 개의 메커니즘이다. 그것은 액체 또는 기체가 될 수있는 유체 질량의 이동 때문에 발생합니다. 어쨌든이 메커니즘이 발생하려면 항상 재료 매체가 필요합니다.

문제의 유체 이동이 빠를수록 서로 다른 온도 영역 사이의 열 에너지 전달이 빨라집니다. 이것은 대기 질량과 함께 지속적으로 발생합니다. 부력은 더 따뜻하고 밀도가 낮은 것은 상승하는 반면 더 차갑고 밀도가 높은 것은 하강합니다.

그림 1. 더운 공기 (빨간색 화살표)와 밀도가 낮은 곳에서 문을 열면 실내가 냉각됩니다. 출처 : Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

이에 대한 예는 이미지의 밀폐 된 공간으로, 문이나 창문이 열리 자마자 내부의 뜨거운 공기가 균열을 통해서도 빠져 나가 외부에서 신선한 공기가 더 많이 남아 있기 때문에 즉시 냉각됩니다. 하위.

대류의 유형

자연 및 강제 대류

그림 2. 강제 대류 및 자연 대류의 예. 출처 : Cengel, Y. Thermodynamics.

대류는 자연적이거나 강제적 일 수 있습니다. 첫 번째 경우에는 방의 문을 열 때와 같이 유체가 저절로 이동하는 반면 두 번째 경우에는 팬이나 펌프에 의해 강제됩니다.

확산과 이류

확산과 이류의 두 가지 변형이있을 수도 있습니다. 확산에서 유체 분자는 다소 무작위로 움직이고 열 전달이 느립니다.

대조적으로, 이류는 많은 양의 유체 질량을 이동 시키며, 예를 들어 팬으로 대류를 강제함으로써 달성 할 수 있습니다. 그러나 이류의 장점은 확산보다 훨씬 빠르다는 것입니다.

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대류 열 전달의 간단한 수학적 모델은 뉴턴의 냉각 법칙입니다. 더 차가운 공기로 둘러싸인 A 영역의 뜨거운 표면을 고려하여 온도 차이가 작습니다.

전달 된 열 Q와 시간 t라고합시다. 열이 전달되는 속도는 dQ / dt이거나 시간에 대한 함수 Q (t)에서 파생됩니다.

열은 열 에너지이므로 국제 시스템의 단위는 줄 (J)이므로 전송 속도는 줄 / 초 단위로 와트 또는 와트 (W)입니다.

이 비율은 ΔT로 표시되는 뜨거운 물체와 매질 사이의 온도 차이와 물체의 표면적 A에 정비례합니다.

비례 상수는 대류에 의한 열전달 계수 인 h라고하며 실험적으로 결정됩니다. 국제 시스템 (SI)의 단위는 W / m ² 입니다. K, 그러나 섭씨 또는 섭씨로 찾는 것이 일반적입니다.

이 계수는 표면의 기하학, 유체의 속도 및 기타 특성과 같은 여러 변수에 따라 달라지기 때문에 유체 속성이 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

위의 모든 것을 결합하여 수학적으로 뉴턴의 냉각 법칙은 다음과 같은 형식을 취합니다.

뉴턴의 냉각 법칙 적용

사람이 20 ° C의 방 중앙에 서서 약간의 바람이 불고 있습니다. 사람이 대류에 의해 환경에 전달하는 열의 속도는 얼마입니까? 노출 된 표면적이 1.6 m ² 이고 피부 표면 온도가 29 ºC라고 가정합니다.

사실 이 경우 대류 열전달 계수 6 W / m이다 ² . ºC

해결책

사람은 바람이 불 때 움직이기 때문에 주위의 공기로 열을 전달할 수 있습니다. 전송 속도 dQ / dt를 찾으려면 냉각을위한 뉴턴 방정식에 값을 연결하기 만하면됩니다.

dQ / dt = 6 W / m ² . ºC x 1.6m ² x (29ºC-20 ° C) = 86.4W.

대류의 예

모닥불 위에 손을 따뜻하게

손을 모닥불이나 뜨거운 토스터에 가까이 가져 가서 따뜻하게하는 것이 일반적입니다. 열원을 둘러싼 공기는 밀도가 낮기 때문에 차례로 가열되고 팽창하기 때문입니다. 순환하면서이 뜨거운 공기가 손을 감싸고 따뜻하게합니다.

그림 3. 손을 따뜻하게하는 한 가지 방법은 불에 의해 공기 중에 생성 된 대류를 통하는 것입니다. 출처 : Pxfuel.

해안의 기류

해안에서는 바다가 육지보다 차갑기 때문에 육지 위의 공기가 뜨거워지고 상승하는 반면, 더 차가운 공기는 상승 할 때이 공간이 남긴 공간에 도착하여 정착합니다.

이것은 대류 세포라고 불리며, 바다를 바라 볼 때 더 시원하게 느껴지고 더운 날에 산들 바람이 얼굴에 불어 오는 이유입니다. 밤에는 그 반대가 일어나고 시원한 바람이 육지에서 나옵니다.

물의 순환

자연 대류는 태양 복사로 인해 물이 가열되고 증발하는 수문 순환을 통해 해양 해안의 공기에서 발생합니다. 이렇게 형성된 수증기는 상승, 냉각 및 응축되어 구름으로 형성되며 그 질량은 대류에 의해 증가하고 상승합니다.

물방울의 크기를 늘리면 온도에 따라 물이 비, 고체 또는 액체의 형태로 침전되는 시간이 있습니다.

용기에 물을 끓입니다.

물을 주전자 또는 냄비에 넣으면 버너의 화염이나 열이 가장 가깝기 때문에 바닥에 가장 가까운 층이 먼저 가열됩니다. 그런 다음 물이 팽창하고 밀도가 감소하여 상승하고 더 차가운 물이 용기 바닥에서 대신합니다.

그림 4. 대류에 의한 물 가열. 출처 : wikimedia Commons. 사용자 : Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

이런 식으로 모든 층이 빠르게 순환하고 물 전체가 가열됩니다. 이것은 이류의 좋은 예입니다.

풍력 발전

공기 질량의 대류는 지구의 회전 운동과 함께 차가운 공기가 뜨거운 공기 아래에서 이동하고 순환하면서 바람을 생성하여 대류라고하는 다양한 흐름을 생성합니다.

해류

물은 대기에서 공기가하는 것과 비슷한 방식으로 작동합니다. 따뜻한 물은 거의 항상 수면 근처에 있고 차가운 물은 더 깊습니다.

다이너 모 효과

그것은 행성 내부의 녹은 코어에서 발생하며, 지구의 자전 운동과 결합되어 지구의 자기장을 발생시키는 전류를 생성합니다.

별 내부의 에너지 전달

태양과 같은 별은 거대한 가스 구체입니다. 대류는 가스 분자가 별 내부 영역 사이를 이동할 수있는 충분한 자유를 가지고 있기 때문에 효율적인 에너지 전달 메커니즘입니다.

대류의 응용

에어컨

에어컨은 방의 천장 근처에 배치되어 밀도가 높은 냉각 된 공기가 바닥에 더 가깝게 빠르게 내려 가고 냉각됩니다.

열교환 기

한 유체에서 다른 유체로 열을 전달하는 장치로, 예를 들어 자동차 엔진의 에어컨 및 냉각 메커니즘의 작동 원리입니다.

건물의 단열재

그들은 단열재 시트를 결합하고 내부에 기포를 추가하여 만들어집니다.

냉각탑

냉각탑이라고도하며 원자력 발전소, 정유소 및 기타 다양한 산업 시설에서 발생하는 열을 지상이나 물이 아닌 공기 중으로 처리하는 역할을합니다.

참고 문헌

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