열전도의 기본 요소 및 전기전도와의 상관 관계

열은 생명을 유지하게 해 주고 우리를 편안하게 만들어 주며 음식 준비를 도와주는 필수적인 요소입니다. 뿐만 아니라 열의 특성을 이해하는 것은 많은 과학 연구 분야의 핵심입니다. 그중에서도 오늘은 열의 전도에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

열의 일반적인 전달 수단

열은 크게 전도, 대류, 복사의 세 가지 수단을 통해서 전달될 수 있습니다. 이들 중에서도 전도는 가장 일반적입니다. 실생활에서의 열전도는 신체 접촉을 통한 열의 전달이나 창유리에 손을 대었을 때, 불 속에 쇠를 꽂을 때 등 발생하며 쉽게 접할 수 있습니다.  이러한 열의 전도는 열 에너지가 표면에 의해 흡수되어 분자가 더 빨리 활동적으로 움직이게 될 때에 분자 수준에서 일어납니다. 그 과정에서, 열 에너지를 갖는 분자들이 이웃 분자들과 부딪히고 에너지를 그들에게 전달하면서 이 과정을 통해 열이 지속적으로 전달하게 되는 전도 현상이 발생하게 됩니다.

열전도의 기본 요소

열전도에 있어서 다음과 같은 네 가지 기본 요소가 필요합니다. 기본 요소로는 온도 구배, 재료의 단면, 경로 길이 및 재료의 특성이 있으며 이에 따라 열전도는 달라지게 됩니다.

1. 온도 구배

온도 구배는 특정 위치에서 온도가 어떤 방향으로 이동하는지 어떤 속도로 변화하는지를 설명하는 물리적인 양입니다. 온도는 항상 가장 뜨거운 곳에서 가장 추운 곳으로 흐르게 됩니다. 왜냐하면 추운 곳은 열 에너지가 없는 부분이기 때문에 춥게 느껴지는 것이기 때문입니다. 이러한 물체 간의 이동은 온도의 차이가 감소하고 열평형이라고 알려진 상태가 발생할 때까지 계속 진행하게 됩니다.

2. 단면 및 경로 길이

단면과 경로 길이도 중요한 요소들입니다. 전달하는 물질의 크기가 클수록 이를 따뜻하게 하기 위해 더 많은 열 에너지가 필요합니다. 그리고 바깥 면에 노출된 표면적이 많을수록 열의 손실 가능성이 커집니다. 그래서 더 작은 면적을 가지거나 길이가 더 짧은 물체는 열 에너지의 손실을 최소화하는 가장 좋은 수단입니다.

3. 재료의 특성

마지막으로 기본적이면서도 가장 중요한 요소는 열과 관련된 재료의 물리적 특성입니다. 기본적으로 열을 전도하는 데 있어서 모든 물질이 동일한 특성으로 생성되지 않습니다. 돌과 금속과 같은 재료는 열을 빠르게 전달할 수 있기 때문에 좋은 도체로 간주될 수 있지만 나무, 종이, 공기, 천과 같은 재료는 열을 잘 전달하지 못합니다.

온도의 계수

이러한 전도성 특성은 은을 기준으로 측정된 '계수'에 기초하여 특성이 평가됩니다. 여기서 은을 열전도 계수 100으로 기준을 정합니다. 다른 물질들은 이보다 더 계수가 낮습니다. 예를 들면 구리는 92, 철 11, 물 0.12, 목재 0.03으로 계수가 정해져 있습니다. 이러한 스펙트럼의 반대쪽 끝에는 열을 전도할 수 없는 완벽한 진공이 존재하며 여기서 계수는 0이 됩니다.

절연체

열전도율이 낮은 물질을 절연체라고 합니다. 전도 계수가 0.006인 공기는 밀폐된 공간 내에 포함될 수 있기 때문에 예외적인 절연체입니다. 그 이유로 겨울철에 난방비를 절감할 수 있는 이중창 등이 공기를 활용한 인공 절연체를 만들 수 있습니다. 기본적으로 이러한 이중창은 열 손실에 대한 완충제 역할을 합니다. 이와 같은 인공 절연체 이외에 깃털, 모피, 천연 섬유는 모두 천연 절연체입니다. 이것들은 새, 포유류, 인간이 따뜻하게 지낼 수 있도록 도와주는 물질입니다. 예를 들어, 해달은 두꺼운 털이 따뜻하게 체온을 유지하도록 도와주어 매우 추운 바다에서 살 수 있습니다. 바다사자, 고래 그리고 펭귄과 같은 다른 바다 포유동물들은 두꺼운 지방층이 존재하여 피부를 통한 열의 손실을 막아줍니다. 같은 논리가 단열재 집, 건물에 적용되며 심지어 우주선까지 이 원리가 적용됩니다. 이러한 단열 방법은 벽 사이에 갇힌 공기주머니, 섬유 유리, 고밀도 폼으로 공기를 가둬 열이 빠져나가지 않도록 도와줍니다. 우주선은 발포체, 강화 탄소 복합 재료 및 실리카 섬유 타일의 형태로 단열재를 사용합니다. 이들은 모두 열전도가 좋지 않아 우주에서의 열 손실을 방지해주고 대기권 재진입으로 인한 극단적을 변화되는 온도가 우주선 내부로 들어오지 못하도록 막아주는 역할을 합니다.

열전도와 전기 전도와의 관계

열전도를 지배하는 법칙은 전기 전도를 지배하는 옴의 법칙과 매우 유사합니다. 좋은 도체는 전류가 쉽게 흐를 수 있고 전자가 문제없이 통과할 수 있는 물질을 말합니다. 반면에 전기 절연체는 내부 전하가 자유롭게 흐르지 못하여 전기장의 영향 아래에서 전류를 전도하는 것을 매우 어렵게 만드는 물질입니다. 따라서 대부분의 경우 열전도가 불량인 재료는 전기의 전도 또한 불량입니다. 예를 들면 구리는 열과 전기를 전도하는 데 모두 능숙하여 구리선이 전자제품 제조에 널리 사용되고 있습니다. 금과 은은 구리보다 훨씬 더 좋으며 가격이 문제가 되지 않는다면 이러한 재료들이 전기 회로 제작에도 사용됩니다.

 

간단히 말해서, 전도는 열의 전달이나 전하의 전달을 모두 포함하는 개념입니다. 두 가지 모두 얼마나 분자가 열이나 전기 에너지를 전달할 수 있도록 도와주는 물질인지 판단해주는 척도가 됩니다. 열의 전도는 생물들이 살아가는 데 있어 꼭 필요한 열전달의 수단이며 우리 삶에서 필수적인 과학 분야입니다.