대류(Convection)과 뉴턴의 냉각법칙(Newton's law of cooling)

열역학에서 대류는 유동성이 있는 유체와 인접한 고체 표면 사이의 에너지 전달 방식(mode of energy transfer between a solid surface and the adjacent liquid or gas)으로, 전도(Conduction)와 유체의 움직임을 합친 효과이다. 유체의 움직임이 빠를수록 열의 이동도 빠르게 일어나고, 만약 유체의 움직임이 없다면, 고체 표면과 유체 사이의 열 전달은 전도만으로 이루어진다. 

 

1. 뉴턴의 냉각법칙

 

뜨거운 블럭 위에 찬 공기가 부는 경우를 생각해 보자.

먼저 블럭의 표면에서 인접한 공기층으로의 열 전달은 전도에 의해 일어난다. 블럭으로부터 멀어질수록, 열 전달은 대류에 의해 일어난다. '전체적인 공기의 큰 흐름에 의해 뜨거운 공기가 이동하고 다시 찬 공기가 그 자리를 대체함 & 공기를 이루는 분자간의 무작위 운동에 의한 전도' 두 가지 현상이 모두 일어난다.

유체의 상변화(change of phase)도 유체의 움직임(액화, 기화 등)에 의한 열 전달이 일어나므로 대류현상의 일종이다. 

 

위 그림에서 단위시간 동안 이동한 열량은 뉴턴의 냉각법칙에 의해 다음과 같이 표현된다.

대류열전달계수는 유체의 고유한 특성이 아니다. 유체의 특성 뿐 아니라 표면의 기하학적 특성, 유체의 속도 등 대류와 관련된 모든 요소에 영향을 받는다. 일반적으로 대류열전달계수는 기체보다는 액체, 자연 대류보다는 강제 대류일때 높다.

 

2. 강제 대류와 자연 대류

 

대류는 그 원인에 따라 두 가지로 나뉜다.

 

1) 강제 대류(forced convection): 유체가 송풍기, 펌프, 바람 등 외부의 수단에 의해 흐르게 되어 대류가 발생할 경우

2) 자연 대류(free(or natural) convection): 유체 내 온도 변화에 의해 발생한 밀도차에 의한 부력이 원인으로 작용하여 유체가 움직여 대류가 발생할 경우

 

방금 삶은 계란을 1)선풍기를 이용하여(강제 대류) , 2)자연적으로 식히는 경우(자연 대류)를 생각해 보자. 자연적으로 식히는 경우, 계란에 의해 데워진 공기가 상승하고 그 자리를 채우기 위한 차가운 공기의 움직임에 의해 대류가 발생한다.