2013-05-21
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김홍구(khgkafa)
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일반적으로 어떤 재료의 밀도가 높아지면 비열도 함께 증가하나요?
그리고
열전도도=밀도*비열*열확산계수
의 식을 적용하여 어떤 재료의 열전도도를 증가시키기 위한 방법은
어떠한 것들이 있는지 알려주시면 감사하겠습니다.
- 밀도
- 비열
- 열전도도
지식의 출발은 질문, 모든 지식의 완성은 답변!
각 분야 한인연구자와 현업 전문가분들의 답변을 기다립니다.
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답변 1
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답변
이응신님의 답변
2013-05-21- 0
일반적으로 고체에서는 밀도가 증가할수록 비열도 증가합니다. 왜냐하면 비열의 정의를 보면 당연히 그렇습니다. 비열은 고전적인 정의에서 물 1g을 섭씨 14.5도에서 15.5도 증가시키는데 필요한 칼로리라고 합니다. 현대적인 정의에서는 물질 1 kg을 1 k 온도를 올리는데 필요한 열에너지 kJ라고 합니다. 고체인 경우 밀도는 원자들의 밀집도와 관계있기 때문에 열에너지를 주더라도원자핵 사이의 결합력을 완화시키는데로 가기 때문에 온도로 나타나는 원자핵의 진동으로 나타나는 온도는 비례하여 증가하지 않기 때문에 밀도가 높을수록 비열이 높습니다. 그러나 고분자화합물은 원자핵의 결합구조 때문에 다르게 나타날 수 있고, 전도체인 경우 전자의 운동에너지로도 가기 때문에 꼭 비열과 밀도가 비례한다는 할 수 없습니다. 액체인 경우 일반적으로 비례하나 물에서 비열과 밀도가 비례하지 않는 구간이 있습니다. 기체인 경우는 정압비열과 정적비열의 정의가 달라 밀도에 따라 비열이 비례한다고 해도 무방하나 그렇지 않는 경우도 생길 수 있습니다. 열전도도 = 비열*밀도*열확산계수 관계에서 찾는 일은 조금 경우가 다릅니다. 열확산계수의 정의에서 열확산계수 = 열전도도/(비열*밀도) 라고 해야 올바른 해석을 할 수 있습니다. 즉, 열확산계수는 에너지가 옆으로 전달되는 정도와 물질에서 잡혀있는 정도의 비례로 정의를 하고 확산방정식에서 계수로 결정을 합니다. 여러가지 계수 정의가 있는데 그 중에서 확산방정식을 만족하도록 정의한 계수가 '열확산계수'로 열전도도를 이런 열확산계수 관계식으로 놓고 의미를 찾는 일은 올바른 방법이 아닙니다. 온도침투계수라고 해서 어떤 현상을 나타내는 계수로 열전달이론에서 정의하는 학자도 있는데 달리 정의하는 사람도 많습니다. 계수의 정의는 경우에 따라 정의해서 물리적인 현상을 설명하기 때문입니다. 열전도도는 실험장치로부터 값을 정합니다. 표준물질과 시험물질을 놓고 한쪽은 가열을 하고 한쪽은 냉각을 하면서 정상상태가 되었을 때 측정값을 비교해서 결정합니다. 열전도도를 높히는 방법은 간단하게 밀도를 높히면 됩니다. 그러나 이런 방법도 열전도도가 매우 낮은 영역에서는 밀도에 반비례해서 나타나는 경우도 있습니다. 논문을 찾아보면 눈(snow)의 밀도와 열전도도 관계를 구한 관계식이 있습니다. 밀도가 낮으면 물질 사이에 공극이 생겨 복사열과 대류가 발생해서 전체 열전도도는 밀도가 낮아지면 오히려 증가합니다. 요즈음 단열재로 사용하는 실리카 계열의 물질도 그렇습니다. 열전도도를 높히는 방법으로 물질의 전기전도도를 높히거나 (즉, 전자이동이 쉽게) 배열을 고르게 하는 방법이 있습니다. 열전도도가 제일 높은 물질은 다이아먼드나 실리콘결정입니다. 부도체기 때문에 열전도도가 낮고 공유결합 때문에 더욱 열전도도가 낮을 것으로 예상하나 균일한 격자 구조 때문에 오히려 열전도도는 최고가 되어 금속보다 더 높습니다.
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