열전도

열전도(熱傳導, Heat conduction, thermal conduction)는 열이 고온 부분에서 저온 부분으로, 중간 물질을 통해서 이동하는 것을 말한다.

개요

열전도는 물체의 내부에너지가 물체 내에서 또는 접촉해 있는 다른 물체로 이동하는 것을 말하며, 줄여서 전도라고도 한다. 내부에너지란 물체를 이루고 있는 미시적인 입자(원자, 전자)들의 운동에너지와 퍼텐셜에너지의 합을 말하고, 이 입자들의 불규칙한 열적 요동의 정도를 나타낸다. 이 입자들이 위치는 바뀌지 않으면서 서로의 충돌에 의해 에너지가 한 곳에서 다른 곳으로 이동하는 것이다. 전도는 온도의 차이에 의해 일어난다.

전도는 기체, 액체, 고체 모두에서 일어날 수 있지만, 기체나 액체는 대류와 함께 일어나는 경우가 많다. 대류가 없는 경우, 기체나 액체에서는 분자들의 충돌과 느린 확산에 의해 전도가 일어난다. 고체에서는 원자들의 진동, 자유전자의 충돌에 의해 전도가 일어난다. 기체에서는 분자들 사이가 멀어서 액체나 고체보다 충돌이 적게(약 10⁻¹⁰ s마다) 일어나므로 전도가 잘 일어나지 않는다. 따라서 기체는 좋은 단열재라 할 수 있다. 고체는 바로 인접한 원자들끼리 계속 함께 떨리고, 전자들의 충돌이 훨씬 잦아서(약 10⁻¹⁴ s마다), 전도가 잘 일어난다.

푸리에의 법칙과 열전도도

열전도 현상을 설명하는 법칙을 '열전도의 법칙' 또는 '푸리에 법칙'이라고 한다. 이 법칙을 만든 푸리에(Jean Baptiste Joseph Fourier , 1768 –1830)는 푸리에 급수로 유명한 프랑스 수학자이다. 법칙의 내용은 비교적 간단하다. 두 물체 사이에 단위시간에 전도되는 열량은 두 물체의 온도차와 접촉된 단면적에 비례하고 거리에 반비례한다는 것이다. 단위시간을 Δt, 전도되는 열량을 ΔQ, 두 물체의 온도차를 ΔT, 접촉된 단면적을 A, 거리를 Δx라 하고 식으로 나타내면 다음과 같다.

ΔQ/Δt = -kA ∙ ΔT/Δx

푸리에 법칙을 표현하는 식에서 비례상수인 k가 나타나는 데, 이는 물체마다 열을 전도하는 성질이 물체마다 다르기 때문이다. 이렇게 같은 온도차와 거리에서 물질이 열전달하는 정도를 비교한 것을 열전도도라고 한다. 값이 클수록 열전도가 잘 된다. 참고로 열전도도의 단위는 열의 단위(W, 와트)를 거리의 단위( m, 미터)와 온도의 단위 (K, 캘빈)의 곱으로 나눈 W/m•K 이 된다. 열전도도가 큰 물질을 열의 양도체라고 하고, 열전도도가 작은 물질을 열의 부도체(혹은 불량도체)라고 한다.

여러가지 물질의 열전도도

관련 용어

• 열전달 : 열에너지의 이동 현상으로 일반적으로 물체들 사이의 열 전도, 대류, 열 복사의 3가지 열 이동 과정을 총칭한다.
• 열확산 : 온도의 차이를 추진력으로 하여 열의 이동이 일어나는 현상(열전도와 같은 개념)
• 열손실 : 물체가 외부로 잃어버린 열량으로 물체의 일부가 누설되어 보유하고 있는 열량이 손실하는 등의 경우(전도, 방사, 대류)
• 열방사 : 태양빛을 직접 받거나 히터 등의 불에 직면하면 주위의 온도 이상으로 가열되는데 이처럼 공간을 두고 상태하고 있는 물체 간에 이루어지는 열의 이동
• 열관류 : 고체 벽 양쪽의 기체나 액체의 온도가 다를 때 고체 벽을 통해서 고온 측에서 저온 측으로 열이 흐르는 현상을 말한다.

열의 양도체 - 대부분 금속, 최고는 그래핀

그래핀의 구조, 그래핀은 가장 뛰어난 열의 양도체이다.

열의 양도체는 주로 은, 구리, 알루미늄과 같은 금속들이다. 금속이 열을 잘 전달하는 이유는 금속을 이루는 원자들이 결정격자를 이루고 있어서 격자진동을 통해서 열이 전도될 뿐 아니라, 금속은 원자에 속박되지 않은 자유전자가 많아 전자의 이동으로 열이 전달되기 때문이다. 대부분의 금속은 전기전도(electrical conduction)도 잘하는데 자유전자는 전하를 함께 운반하기 때문이다. 이 때문에 좋은 열전도체인 은이나 구리가 좋은 전기전도체가 되는 것이다.

반면, 열전도도가 가장 뛰어난 물질은 2010년 노벨물리학상의 연구 주제였던 그래핀(Graphene)이다. 그래핀은 탄소원자가 육각형의 그물모양으로 연속 배열된 것으로 영국 맨체스터 대학의 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)가 2004년에 발견하였다. 이들은 스카치테이프로 흑연에서 원자를 한 층씩 떼어내어 단원자층 그래핀을 얻고 그 물리적 성질을 밝혀내어 2010년 노벨물리학상을 수상했다. 그래핀은 흑연, 다이아몬드와 마찬가지로 탄소로 이뤄진 동소체이지만, 지름 0.2㎚(나노미터, 10억분의 1미터)의 원자층 한 겹으로 이루어져서 물성이 전혀 다르다. 그래핀은 플라스틱 랩처럼 잘 휘어지고 열전도도가 매우 뛰어나 미래의 초소형소자로 주목받고 있다.

열의 부도체 - 단열재, 공기가 대표적

열의 부도체(불량도체)는 나무나 스티로폼, 섬유 등과 같은 비금속 물질이다. 열의 불량도체들은 열 흐름을 차단하는 보온용 건축자재나 화재를 막는 단열재로 쓰인다. 액체와 기체는 대부분 불량도체에 속하는데 특히 공기는 매우 좋은 단열재이다. 동물들이 추운 겨울을 견딜 수 있는 이유는 동물의 모피나 깃털이 열의 부도체이기도 하지만 모피나 깃털 내부의 수많은 빈 공간이 공기를 포함하고 있기 때문이다. 석면이나 유리솜이 좋은 단열재인 이유도 많은 공기를 포함한 다공성물질이기 때문이다. 눈 역시 많은 공기를 포함하여 단열효과가 좋다.

인류가 만들어낸 가장 가벼운 고체인 에어로젤(Aerogel)은 단열효과가 가장 뛰어난 신소재이다. 에어로젤은 머리카락의 1만 분의 1 굵기의 이산화규소(SiO2) 소재의 실을 성글게 얽어 만들어지며 실과 실 사이 공간에는 공기분자가 들어간다. 에어로젤은 전체 부피의 98%가 공기여서 밀도가 공기의 3배 밖에 되지 않는다. 에어로젤은 높은 기공률로 인해 열·전기·소리·충격 등에 강하여 미래의 단열재·충격완충재·방음재 등으로 주목받고 있다.

참고자료

• 〈열전도〉, 《물리학백과》
• 〈열전도〉, 《물리산책》
• 〈열전도〉, 《위키백과》

같이 보기

• 열전도도
• 열전도율
• 그래핀
• 대류 (에너지)
• 복사 (에너지)

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