대류(열전달)

지구 맨틀의 열대류 시뮬레이션.고온 지역은 빨간색으로 표시되고, 저온 지역은 파란색으로 표시됩니다.하단의 고온, 저밀도 물질이 위쪽으로 이동하고, 마찬가지로 상단의 차가운 물질이 아래쪽으로 이동합니다.

대류(또는 대류 열전달)는 유체의 이동으로 인해 열이 한 곳에서 다른 곳으로 전달되는 것입니다.대류 열 전달은 종종 독특한 열 전달 방법으로 설명되지만 전도(열 확산)와 이류(벌크 유체 흐름에 의한 열 전달)의 결합 과정을 수반합니다.대류는 보통 액체 및 기체에서 열 전달의 주요 형태입니다.

대류의 정의는 열 전달 및 열역학 컨텍스트에서만 적용됩니다.대류의 동적 유체 현상과 혼동해서는 안 됩니다. 대류는 열역학적 맥락에서 일반적으로 자연 대류라고 합니다.

개요

대류는 부력 이외의 다른 방법으로 유체의 움직임에 의해 "강제"될 수 있습니다(예: 자동차 엔진의 냉각수 펌프).유체의 열팽창으로 인해 대류가 발생할 수도 있습니다.다른 경우에는, 자연 부력만이 유체가 가열될 때 유체의 움직임을 전적으로 담당하며, 이 과정을 "자연 대류"라고 합니다.예를 들어 굴뚝이나 불 주변의 외풍이 있다.자연 대류에서 온도가 증가하면 밀도가 감소하며, 이는 서로 다른 밀도의 유체가 중력(또는 모든 g-force)에 의해 영향을 받을 때 압력과 힘에 의해 유체 운동을 일으킨다.예를 들어, 물을 스토브에서 가열할 때, 팬 바닥의 뜨거운 물은 더 차가운 밀도가 높은 액체에 의해 이동(또는 밀어올림)되고, 이는 떨어집니다.가열을 멈춘 후, 이 자연 대류로부터의 혼합과 전도는 결국 거의 균일한 밀도와 고른 온도를 초래합니다.중력(또는 어떤 유형의 g-force를 발생시키는 조건)이 없으면 자연대류가 발생하지 않고 강제대류 모드만 작동한다.

대류 열 전달 모드는 하나의 메커니즘으로 구성됩니다.특정 분자 운동(확산)에 의한 에너지 전달 외에 에너지는 유체의 부피 또는 거시적 운동에 의해 전달됩니다.이 움직임은 어느 순간에도 많은 분자들이 집합적으로 또는 집합체로 움직인다는 사실과 관련이 있습니다.이러한 움직임은 온도 구배가 있을 때 열 전달에 기여합니다.전체 분자가 무작위 운동을 유지하므로, 총 열 전달은 분자의 무작위 운동과 유체의 부피 운동에 의한 에너지 수송의 중첩에 기인합니다.이 누적 운송을 언급할 때는 대류라는 용어를 사용하고 벌크 유체 ^[1]운동으로 인한 운송을 언급할 때는 이류라는 용어를 사용하는 것이 관례입니다.

종류들

이 컬러의 슐리에렌 이미지는 사람의 손(실루엣 형태)에서 주변 정적 교환으로 열 대류를 보여줍니다.

두 가지 유형의 대류 열 전달이 구별될 수 있다.

자유 대류 또는 자연 대류: 유체 운동이 유체 내 열 ± 온도 변화로 인한 밀도 변화로 인한 부력에 의해 발생하는 경우.내부 소스가 없는 경우, 유체가 뜨거운 표면에 접촉하면 유체의 분자가 분리되고 흩어지면서 유체의 밀도가 낮아집니다.그 결과, 냉각된 유체의 밀도가 높아지고 유체가 가라앉으면서 유체가 변위한다.따라서 부피가 높을수록 열이 해당 ^[2]유체의 부피가 더 낮은 쪽으로 전달됩니다.화재나 뜨거운 물체로 인한 공기 흐름과 아래에서 가열되는 냄비 내 물의 순환이 친숙한 예다.
강제 대류: 팬, 교반 및 펌프와 같은 내부 소스에 의해 유체가 표면 위로 강제로 흐르면서 인위적으로 유도된 대류를 ^[3]생성합니다.

많은 실제 애플리케이션(예: 태양 중심 리시버의 열 손실 또는 태양광 발전 패널의 냉각)에서 자연 대류와 강제 대류가 동시에 발생한다(혼합 대류).^[4]

내부 및 외부 흐름도 대류를 분류할 수 있습니다.내부 흐름은 유체가 파이프를 통해 흐를 때와 같이 단단한 경계로 둘러싸일 때 발생합니다.외부 흐름은 유체가 단단한 표면을 만나지 않고 무한히 확장될 때 발생합니다.이러한 대류 유형은 자연 대류 또는 강제 대류 유형 모두 서로 ^{[citation needed]}독립적이기 때문에 내부 대류 또는 외부 대류일 수 있습니다.벌크 온도 또는 평균 유체 온도는 특히 파이프 및 덕트의 흐름과 관련된 애플리케이션에서 대류 열 전달과 관련된 특성을 평가할 때 편리한 기준 지점입니다.

고체 표면의 평활도와 기복에 따라 더욱 분류할 수 있다.모든 표면이 매끄러운 것은 아니지만, 사용 가능한 정보의 대부분은 매끄러운 표면을 다루고 있습니다.물결 모양의 불규칙한 표면은 태양열 집열기, 재생 열 교환기 및 지하 에너지 저장 시스템을 포함하는 열 전달 장치에서 흔히 볼 수 있습니다.이러한 애플리케이션의 열 전달 프로세스에서 중요한 역할을 합니다.표면의 기복이 있어 복잡성이 증가하기 때문에 우아한 단순화 기법을 통해 수학적 기교로 대처해야 한다.또한 흐름 및 열전달 특성에 영향을 미치기 때문에 직선 ^[5]평활면과는 다르게 동작합니다.

자연 대류를 시각적으로 경험하기 위해 뜨거운 물과 붉은 식품 염료가 채워진 유리잔을 차갑고 깨끗한 물이 있는 수조 안에 넣을 수 있다.빨간색 액체의 대류 전류는 다른 영역에서 상승 및 하강한 후 최종적으로 침전되는 것으로 보일 수 있으며, 이는 열 구배가 소멸되는 과정을 보여줍니다.

뉴턴의 냉각 법칙

대류 냉각은 때때로 뉴턴의 ^[6]냉각 법칙에 의해 설명되는 것으로 느슨하게 가정된다.

뉴턴의 법칙은 산들바람의 영향을 받는 동안 물체의 열 손실 속도는 물체와 그 주변의 온도 차이에 비례한다고 말한다.비례성의 상수는 열 전달 ^[7]계수입니다.이 법칙은 계수가 물체와 환경 사이의 온도 차이에 독립적이거나 상대적으로 독립적일 때 적용됩니다.

전통적인 자연 대류 열 전달에서 열 전달 계수는 온도에 따라 달라집니다.그러나 뉴턴의 법칙은 온도 변화가 상대적으로 작을 때, 그리고 온도 차이가 커짐에 따라 유체 속도가 상승하지 않는 강제 공기 및 펌프식 액체 냉각에 대해 거의 현실과 유사합니다.