【화학공학】열전도도 Fourier's Law 푸리에 법칙

열전달이란 온도차에 일어나는 열에너지의 이동현상을 의미합니다.

좁게는 유체와 고체의 표면 사이에서 전달되는 열을 의미하고, 넓게는 전도, 대류, 복사 모두를 의미합니다.

전도, 대류, 복사를 간단히 나타내 보았습니다.

전도란 직접 맞닿아 있는 경우에, 대류는 유체로 인해, 복사는 열이 전자기파나 빛으로 전달되는 것입니다.

공을 열이라고 가정하면 가만히 서있으면서 공을 전달하면 전도, 드리블은 대류, 패스는 복사라고 생각하시면 됩니다.

여기서 각 열전달은 관련된 법칙과 공식이 있습니다. 전도는 푸리에법칙, 대류는 뉴턴 냉각법칙, 복사는 스테판 볼츠만 식입니다.

여기서는 푸리에 법칙을 알아보도록 하겠습니다.

열전달률은 면적이 넓을수록, 온도차가 클수록 잘 되겠죠? 그리고 두께가 두꺼울수록 낮아질 겁니다.

즉 면적과 온도차에 비례하고 두께에 반비례합니다.

간단히 2차원 정상상태에서 푸리에 법칙을 표현했습니다.

비례하기 때문에 상수인 k값, 즉 열전도율이 들어갑니다. 재료에 따라 다른 값을 보입니다.

열전도도(k)는 W/m k 의 단위입니다. 그래핀이 가장 높은 열전도도를 보이고 에어로젤이 가장 낮은 열전도도를 띕니다.

에어로젤이란 나노 사이즈의 미세 기공이 많은 물질로써 매우 정교한 스펀지라고 생각하시면 됩니다.

물질의 종류에 따른 열전도도는 대체로

nonmetallic crystals (비금속 결정) : 다이아몬드, 흑연 ~ 석영

pure metals (순금속) : 은, 구리 ~ 망간

metal alloys (합금) : 알루미늄 합금 ~ 니크롬

nonmetallic solids (비금속 고체) : 산화물(세라믹의 성질을 띔) ~ 고무

liquids (액체) : 수은 ~ 기름

insulators (단열재, 절연체) : 섬유 ~ foams(스티로폼)

gases (기체) : 수소 ~ 이산화탄소

순의 대략적인 모습을 보입니다.