대류의 정의와 종류 및 관련 정보 정리

더 차가운 장소로 이동하는 따뜻한 물질에 의해 액체나 기체 상태의 매질을 통해 열 에너지가 전달되는 것을 대류라고 합니다. 오늘은 대류가 무엇인지 배울 것이고 이 현상의 몇 가지 일반적인 예들을 살펴볼 것입니다.

대류의 일반적인 정의

앞으로 나아가기 전에, 대류가 무엇인지 알기 위해 그 정의를 이해할 필요가 있습니다. 대류는 열에너지가 액체나 기체를 통해 전달돼 뜨거운 물질이 상승하고 차가운 물질이 떨어지는 현상입니다. 왜냐하면 뜨거운 물질은 차가운 물질보다 농도가 훨씬 낮기 때문입니다. 기상학에 따르면 특히 상승 운동에서 공기의 부피의 움직임을 통한 대기 또는 열 요소의 전달을 말합니다. 마찬가지로, 지질학에 따르면, 그것은 지구 표면 아래에서 물질이 지속적으로 전달되는 것을 말합니다.

대류란 무엇인가

대류 현상은 물체 내부의 밀도나 온도의 차이로 인해 발생하는 유체의 움직임을 말합니다. 대류는 고체 속의 분자들이 각각의 자리에 꽉 차 있기 때문에 액체나 기체에서만 관측할 수 있습니다. 온도의 차이는 에너지를 더 뜨거운 에너지 영역에서 더 낮은 에너지 영역으로 전달하게 합니다. 이것은 전류의 형성에 따라 물질이 한 지점에서 다른 지점으로 전달되는 열전달의 한 유형을 말합니다. 또한 그 결과를 질량 전달 과정으로 정의될 수도 있습니다.

대류의 발생 원인

대류는 자연 환기와 바람 패턴에 중요한 역할을 합니다. 전 세계적으로 바람의 움직임은 뜨거운 공기가 위쪽으로 올라가고 차가운 공기가 아래쪽으로 가라앉아 날씨의 변화에 영향을 줍니다. 예를 들어, 낮 동안에는 지구 표면의 공기가 종종 태양에 의해 가열되는 반면에 물 위의 공기는 차갑게 유지됩니다. 따라서 낮은 밀도 때문에 지구 표면에서 하늘을 향해 따뜻한 공기가 상승하게 됩니다. 상승하면서 냉각되고 다시 밀도가 높아져 다시 공기가 하강하는 결과를 만듭니다. 이러한 대류는 서로 다른 온도에서 두 물질 사이의 열에너지 교환을 통합하는 물리적 현상으로 그중 하나는 유체(가스 또는 액체)이며 표면 근처의 유체 매질에서 발생합니다.

일상에서 발생하는 대류 현상의 예

일상생활에서 발생하는 대류 현상의 예시는 무수히 많습니다. 일반적인 가정에서도 대류와 관련된 여러 가지 현상이 다음과 같이 발생하며 쉽게 접할 수 있습니다.

• 물을 끓일 때에는 열 에너지는 난로에서 주전자로 전달되어 물을 바닥부터 끓이게 됩니다. 이 뜨거운 물은 상승하고, 이를 대체하기 위해 차가운 물이 아래쪽으로 흐르며, 그 결과 유체의 회전 운동이 일어납니다.
• 라디에이터는 위쪽에서 가열된 공기를 방출하고 아래쪽에서 차가운 공기를 끌어당깁니다.
• 뜨거운 차 한 잔이 만들어내는 증기는 열이 공기 중으로 운반된다는 것을 보여줍니다.
• 얼음은 대기에서 얼음으로 이동하는 열에 의해 녹습니다. 결과적으로, 얼음은 고체에서 액체로 변하게 됩니다.
• 냉동식품은 물에 보관하는 것보다 흐르는 물에서 더 빨리 해동합니다. 흐르는 물의 움직임이 정지된 물에 보관된 것보다 냉동식품에 더 빨리 열을 분배하기 때문이다.
• 팬, 흡입 장치 또는 펌프는 강제 대류의 일반적인 예입니다. 이러한 요소들을 사용하는 일상적인 장치들 중에는 에어컨, 오븐, 자동차 라디에이터, 그리고 중앙난방 등이 있습니다. 이러한 장치들은 열 에너지를 원형 운동으로 회전시키기 위해 유체를 사용합니다.

대류의 종류

대류는 자연 대류(자유 대류)와 강제 대류로 크게 두 가지 유형이 있습니다. 자연 대류는 말 그대로 자연적으로 발생하는 것을 말하며 강제 대류는 펌프나 팬을 사용하여 유체가 이송하는 현상을 말합니다.

자연 대류

자유 대류라고도 불리며 뜨거운 공기는 상승하고 차가운 공기는 가라앉는 온도 차이로 인해 발생하는 유체(기체, 액체)의 밀도 변화에 의해 발생합니다. 대류의 열전달은 지구 대기 온도와 바람을 포함한 국지적 기상 현상에 의해 자연적으로 발생합니다.

강제 대류

강제 대류 현상에서 유체는 팬이나 펌프를 통해 전달됩니다. 강제 대류는 엔지니어가 사용하는 가장 일반적인 열전달 유형 중 하나입니다. 이는 한 위치에서 다른 위치로 대량의 열 에너지를 신속하게 수송할 수 있기 때문입니다. 또한 강제 대류는 전자의 냉각과 난방 시스템 및 다양한 여러 가지 기술에 사용됩니다. 강제 대류는 열 교환기의 구성에도 사용되며 열 교환기는 하나의 유체 흐름은 열에 사용하고 다른 유체 흐름은 냉각에 사용합니다.

대류는 어떻게 형성되는가?

상당한 온도 차이로 인해 물질의 입자가 더 뜨거운 위치에서 다른 더 차가운 위치로 이동하여 대류가 형성됩니다. 온도의 차이는 액체와 기체, 분자나 원자의 밀도가 높고 낮은 영역을 낮은 압력의 영역으로 흐르게 합니다. 간단히 말해서 따뜻한 액체는 위로 올라가고 차가운 액체는 아래로 떨어지게 됩니다. 대류 현상은 햇빛과 열과 같은 에너지원을 이용할 수 있는 조건에서 균일한 온도를 얻을 때까지 지속됩니다. 또한 이 현상은 확산 방정식이라 불리는 스칼라 또는 선형 수송 방정식을 사용하여 모델링할 수 있습니다.

결론

대류는 열전달의 과정으로 열을 이동하는 방법을 의미합니다. 열은 물이나 공기를 포함한 유체가 순환할 때 전달됩니다. 유체 전체의 온도 변화는 대류를 유도합니다. 유체가 가열되면 분자의 운동 에너지가 증가하기 때문에 열원에 가장 가까운 부분의 밀도가 낮아집니다. 액체의 밀도가 낮은 성분은 상승하는 반면, 액체의 밀도가 높은 부분은 가라앉게 됩니다. 이 과정은 밀도가 낮은 유체가 열이나 따뜻한 근원으로부터 멀어질 때 온도가 떨어지기 때문에 계속적으로 반복하게 됩니다. 이에 비해 밀도가 높거나 차가운 유체는 열원에 접근할 때 열을 가해 밀도가 떨어지고 위로 올라갑니다. 그 반복되는 과정을 통해 대류 현상이 발생됩니다.