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대류 (에너지)
대류(convection)는 유체 성질의 수송과 혼합을 일으키는 유체 내의 움직임으로서 전도 및 복사와 함께 에너지 전달의 중요한 수단이다. 대류를 통한 열과 물질의 전달은 유체 내 각 입자의 불규칙한 브라운 운동을 통한 확산과 이류에 의해 이루어진다. 여기서 '대류'는 주로 확산과 이류를 통한 전달을 총칭하는 의미로서 쓰인다.
개요[편집]
대류는 열을 전달하는 대표적인 방법으로, 열 때문에 기체나 액체가 아래위로 뒤바뀌며 움직이는 현상을 말한다.
공기가 뜨거워지면 팽창하여 주변의 공기보다 밀도가 작아지기 때문에 부력이 생겨 위로 올라간다. 원래 위쪽에 온도가 낮고 밀도가 큰 공기는 이동한 뜨거운 공기의 빈자리를 채우며 내려오게 된다. 이러한 과정을 되풀이하면서 전체 공기가 순환한다. 대류의 원리를 이용해서 실내에서 난로와 같은 난방기구는 아래쪽에 놓고 에어컨과 같은 냉방기구는 위쪽에 설치한다.
대류는 대류현상을 일으키는데 대류현상은 따뜻해진 공기가 위로 올라가고 찬 공기가 아래로 내려가면서 따뜻한 공기는 차가워지고, 차가운 공기는 따뜻해지는 등의 과정을 반복하는 현상을 말한다.
구름의 생성과 바람이 생기는 원리는 대류현상의 대표적인 예이고, 대기권의 제일 아래층 대류권 또한 공기의 활발한 대류로 대류권이란 이름을 갖게 된 것이다. 지구의 대류는 이보다 훨씬 규모가 큰데 태양열로 가열된 적도의 가볍고 따뜻한 공기와 극지방의 무겁고 차가운 공기가 순환하는 대기 대순환, 맨틀의 대류, 해륙풍과 계절풍도 대류 현상이다.
특성[편집]
열의 전달은 크게 전도, 복사, 대류에 의해서 이루어진다. 대류는 유체의 움직임에 의해 열이 전달되는 특성을 갖고 있다. 공기와 같은 유체는 가열∙팽창되면 밀도가 낮아져서 위로 이동하는데 이 때 열도 동반되어 이동한다. 대류(convection)라 부르는 이 과정은 유체의 열 이동에 주요한 역할을 한다. 예를 들어, 방안에 켜둔 난로로부터 나온 열 에너지로 데워진 공기는 양의 부력을 가지고 상승하게 되어 주변의 공기를 데우게 된다. 또한 촛불 주위에 손을 가까이 할 때, 촛불로부터 같은 거리의 옆에 있을 때보다 위에 있을 때 더 뜨겁게 느끼는 것은 촛불에 의해 가열되어 팽창된(양의 부력을 가진) 공기가 위로 상승하여 열이 전달되기 때문이다. 이와 같이 대류에 의한 유체의 질량 및 열의 전달은 확산과 이류에 의해 이루어지게 된다.
자유대류와 강제대류[편집]
대류는 그 발생 원인에 따라 자유대류(free convection)와 강제대류(forced convection)로 나눌 수 있다. 유체의 순수한 부력에 의해 발생하는 대류를 자유대류라 하고, 유체에 기계적인 힘이 작용하여 발생하는 대류를 강제대류라 한다. 대기 중 강제대류의 예로는 전선면을 따라 올라가는 따뜻한 공기의 상승류, 산의 경사면을 따라 올라가는 상승류, 지표마찰에 의한 공기의 수평수렴에 동반되는 상승류 등이 있다.
대류 구름 (convective cloud)[편집]
대기 중에서는 공기가 냉각되면 포화에 이르게 되어 구름을 형성하게 된다. 공기를 냉각시키는 방법에는 접촉, 혼합, 상승의 세 가지가 있다. 주위와 열 교환이 없을 때 공기가 상승하게 되면 단열팽창하여 외부에 일을 하게 되므로 상승한 공기는 냉각되게 되는데, 대류는 이 공기 상승의 주요한 원인이다. 대류에 의하여 지표면에서 상승한 공기가 상승응결고도에 이르게 되면 응결이 시작되어 구름이 발생한다. 상승응결고도 아래에서 상승 중인 공기덩이는 열기포(thermal)이라고도 불리운다. 열기포가 부력을 받아 계속 상승하게 되어 응결고도에 도달하면 비로소 구름의 모습이 나타나게 되는데, 이렇게 형성된 구름을 대류 구름이라고 한다. 적운과 적란운 등이 대류 구름의 대표적인 예이다.
뇌우와 중규모 대류계[편집]
뇌우(thunderstorm)란 불안정한 기층에서 강한 상승기류에 의해 적란운이 발달하면서 천둥, 번개 및 강우가 동반되는 현상을 말한다. 이 현상은 대기가 매우 불안정하여 습한 공기가 국지적으로 급격히 상승하면서 많은 양의 숨은 열을 방출할 때 발생한다. 이 때 방출된 열에 의한 구름 내 공기의 가열은 부력 증가를 통해 강한 대류를 발달시켜서 구름 내 상승 기류를 더욱 더 강화시키고 결과적으로 더 많은 양의 하층 수분을 끌어 올려 응결시키게 된다. 강한 대류에 의해 대류권계면까지 상승한 포화공기는 대류권 상부에서 수평으로 퍼지면서 모루 구름으로 나타난다.
뇌우는 한 개 또는 여러 개의 대류 세포로 구성되어 있다. 대류 세포는 10~100 km² 정도의 수평 규모를 갖는 강한 상승 기류의 구역으로 해석할 수 있다. 여러 개의 뇌우가 중규모 크기로 조직화된 대류계를 중규모 대류계(mesoscale convective system, MCS)라고 부른다. 중규모 대류계는 개개의 독립적인 뇌우보다는 현저히 큰 대류계를 총칭하며 수평적으로 100 km² 이상의 연속된 강수 지역을 만들어낸다.
공기의 대류[편집]
공기도 물과 마찬가지로 열의 불량도체이다. 따라서 공기 속을 열전도에 의해서 열이 이동하는 일은 드물다. 오히려 공기의 경우는 물과 마찬가지로 대류에 의해서 열이 이동한다. 공기가 가열되어 온도가 올라가면 물보다는 열팽창이 잘되므로 차가운 공기보다 밀도가 작아져서 상승 기류가 생긴다. 이 현상은 촛불 옆에서 따뜻해진 공기와 함께 연기가 상승하는 것을 보아도 알 수 있다. 공기의 대류를 보다 자세히 알기 위해서는 다음과 같은 실험을 하면 좋다. 유리로 된 네모진 어항 바닥에 불을 붙인 선향을 넣고 뚜껑을 덮는다. 선향의 연기는 수직으로 계속 올라가는데 이것은 선향의 불로 따뜻해진 공기가 가벼워져서 상승하여 그것이 연기를 함께 운반하기 때문이다. 상승한 공기와 연기는 뚜껑을 따라서 퍼지고 다시 벽을 따라서 하강한다. 그리고 바닥에 닿거나 혹은 그 전에 안쪽으로 들어간다. 이와 같은 실험으로 공기의 대류를 관찰할 수 있다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
