면접자료-열의 전도

열의 전도

 

열역학을 공부하던 채원이는 인터넷으로 난방과 관련된 기사를 검색하던 중 1998년 초 우리나라가 환율위기에 처해 국민 대부분이 생활고에 시달리던 당시 모 일간지에 실린 다음과 같은 기사를 보게 됐다. 다음 물음에 답하라.

 

기름 값 인상으로 아파트 관리비도 요즘 같은 불경기엔 여간 부담스럽지 않다. 평수를 줄일 경우 현재 20만원 안팎인 아파트 관리비를 줄일 수 있다는 계산이다. 일산의 경우 대형과 소형 구분 없이 아파트 급매물이 쏟아지고 있으며, 최근엔 43평형 아파트가 전세 6천만원까지 나오고 있는 실정이다. 이는 25평형의 아파트 전세가와 비슷한 수준이다.

1) 위 기사에서 난방비 때문에 큰 평수의 아파트보다 작은 평수의 아파트를 선호한다는 것은 몇 가지 전제조건을 갖는다. 아파트 내부에서 외부로 빠져나가는 열량을 결정하는 요소들을 설명하고, 많은 비용을 들이지 않고도 난방비를 낮출 수 있는 방안에 대해 설명하라.

 

2) 채원이가 자기 아파트의 벽을 조사해 보니 아래 그림과 같이 열전도율이 1(kcal/mh℃)인 콘크리트 내부에 열전도율이 0.02(kcal/mh℃)인 단열재가 있었고 두께가 각각 0.2(m), 0.01(m), 0.2(m)였다. 실내 벽면의 평균 온도는 15℃였고, 실외 벽면의 평균온도는 5℃였다. 단열재 양쪽 면의 온도를 구하고, 벽을 통해 단위 면적(m2) 당 한 시간(h)에 빠져나가는 평균열량을 구하시오.

 

 

조언

 

실생활에서 열에너지의 원리와 현상을 직접 느낄 수 있는 소재가 열의 이동이다. 열의 이동에는 전도와 대류 그리고 복사의 세 가지 방식이 있으나, 대류는 고교 수준에서 분석하기 까다로운 현상이고 복사는 지구과학에서 자세히 다루므로 물리 구술고사에서는 열의 전도가 주로 출제되고 있습니다. 물리 교과서에 원리 위주로 설명된 상황들이 실생활에 어떻게 적용될 수 있는지를 분석해둘 필요가 있습니다.

➜ 배경지식 : 열의 전도
1) 물질의 이동을 수반하지 않고 열에너지가 고온부에서 저온부로 이동하는 현상이다. 온도가 높은 물체와 낮은 물체를 접촉시켜 놓으면 시간의 경과와 함께 둘 사이의 온도차가 없어지고, 결국에는 똑같은 온도가 된다(열평형).
2) 미시적 관점으로 보면 분자들의 충돌에 의해 운동 에너지가 전달돼 저온 물체 분자들의 열운동이 활발해지는 것으로 설명된다.
3) 단면적 A(m2), 길이 L(m), 두 지점의 온도차가 (T고-T저)(℃)인 두 열원 사이에 t초 동안에 전도되는 열량 Q는 열전도율)이다.

 

 

 

모범답안

1) 넓은 집일수록 겨울의 난방비나 여름의 냉방비가 많이 든다는 것은 그만큼 열이 전도될 수 있는 면적이 넓음을 의미한다. 그러나 면적 외에 실내외의 열 출입량에 영향을 미치는 요소는 몇가지가 더 있다.

 

예를 들어 실내 온도와 실외 온도의 차이(T고-T저), 벽이나 유리의 두께(L)와 소재(열전도율인 k), 단열재 유무와 종류(k´), 빈틈을 통한 열대류와 주로 창문을 통한 복사 등이다.

벽의 두께를 늘리거나 단열재를 다시 시공하는 것은 많은 비용이 들므로, 실내의 온도를 낮춰 실내와 실외의 온도차를 줄이도록 내복을 항상 입거나 최대한 틈을 막고 출입문과 창문의 개폐 횟수를 줄여 열대류에 의한 열손실량을 줄여야 한다.

2) 실내에서 실외로 단위면적 당 단위시간 동안 전도되는 열량(Q : kJ/m2․s)은 벽 속의 어느 지점에서나 똑같으므로, 단열재의 왼쪽 면의 온도를 T1, 오른쪽 면의 온도를 T2라 하면 다음의 식이 성립한다.

왼쪽 콘크리트에 전도되는 열량 = 단열재에 전도되는 열량 = 오른쪽 콘크리트에 전도되는 열량

  

 

 위 식을 연립해서 풀면 T1=115/9(℃), T2=65/9(℃)이다. 그리고 Q=100/9(kcal/h)가 구해진다.

  ∴ 단열재의 왼쪽면의 온도는 115/9℃이고, 오른쪽 면의 온도는 65/9℃이며, 1시간 동안 벽 1m2 면적을 통해 빠져나가는 열량은 100/9kcal이다.

 

출처 : 과학동아