물리학 고3 열과 에너지

열전달 (전도·대류·복사)

열이 전도(접촉), 대류(유체 흐름), 복사(전자기파)의 세 방식으로 전달됨을 일상 사례에서 분석한다.

열은 세 가지 방식으로 이동합니다 — 물질을 통해 분자에서 분자로 전달되는 전도, 데워진 유체가 직접 흘러가는 대류, 그리고 매질 없이 전자기파로 날아가는 복사입니다.

소식을 전하는 세 가지 방법과 같습니다. 옆 사람에게 귓속말로 릴레이하면 전도, 사람이 직접 뛰어가면 대류, 전파로 방송하면 복사입니다. 앞의 둘은 전달할 매질이 필요하지만 복사는 진공도 건너갑니다.

쉽게 말하면

열과 내부 에너지에서 열은 고온에서 저온으로 흐르는 에너지라고 했습니다. 그 '흐름'이 실제로 어떤 방식으로 일어나는지를 나누는 것이 이 단원입니다.

전도는 물질이 제자리에 있으면서 진동만 이웃에게 넘겨주는 방식입니다. 금속이 유독 전도가 빠른 이유는 자유 전자가 있어서, 격자 진동이 릴레이되기를 기다리지 않고 전자가 에너지를 싣고 곧장 달려가기 때문입니다. 그래서 같은 실온의 금속 손잡이가 나무 손잡이보다 차갑게 '느껴집니다' — 온도가 낮은 게 아니라 내 손의 열을 빨리 빼앗아 가기 때문입니다.

대류는 데워진 부분이 팽창해 밀도가 작아지고, 그래서 떠오르면서 에너지를 통째로 실어 나르는 방식입니다. 물질 자체가 이동한다는 점이 전도와 결정적으로 다릅니다. 지구 규모에서도 같은 일이 벌어집니다 — 맨틀 대류가 판을 움직이고, 대기 대순환이 적도의 열을 극지방으로 나르며, 심층 순환이 바닷물로 같은 일을 합니다.

복사는 물체가 자기 온도에 맞는 전자기파를 스스로 내놓는 것입니다. 매질이 필요 없어서 태양의 열이 $1$ 억 $5$ 천만 $km$ 의 진공을 건너 지구까지 옵니다. 모든 물체는 항상 복사를 내보내고 있으며, 온도가 높을수록 더 많이, 더 짧은 파장으로 내보냅니다. 우리 몸이 더울 때 땀을 흘리고 혈관을 넓히는 체온 조절도 결국 이 세 통로로 열을 내보내는 조절입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

국이 끓는 냄비 안에서 세 가지가 동시에

불에서 냄비 바닥으로는 복사와 전도, 냄비 바닥에서 물로는 전도, 냄비 안 물이 위아래로 도는 것은 대류입니다. 실제 상황에서 세 방식은 따로 노는 것이 아니라 대부분 함께 일어납니다.
예시 2

보온병은 세 통로를 각각 막는다

이중벽 사이를 진공으로 만들어 전도와 대류를 차단하고, 안쪽 벽을 거울처럼 은도금해 복사를 반사시킵니다. 세 방식을 모두 막아야 보온이 되기 때문에, 보온병 구조를 보면 열전달의 세 가지가 한눈에 보입니다.
예시 3

에어컨은 위, 난방기는 아래

찬 공기는 밀도가 커서 가라앉고 더운 공기는 떠오릅니다. 에어컨을 천장 가까이 달면 찬 공기가 내려오며 방 전체가 순환하지만, 바닥에 놓으면 찬 공기가 그대로 고여 위쪽은 계속 덥습니다. 대류를 이용할 수 있는 위치인지가 설치 높이를 정합니다.

전도 · 대류 · 복사

구분	전도	대류	복사
매질	필요 (고체에서 잘 일어남)	필요 (액체·기체 등 유체)	필요 없음 (진공도 통과)
물질의 이동	없음 — 진동·전자만 전달	있음 — 데워진 유체가 직접 이동	없음 — 전자기파가 이동
일상 예	금속 숟가락이 뜨거워짐	끓는 물이 위아래로 돎, 해륙풍	햇빛, 난로 앞의 따뜻함