공조냉동에서 빠질 수 없는 이론이 열전달입니다. 열역학 제2법칙에서 열이동은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 비가역적인 과정이라고 하였습니다. 공조냉동장치에서 열을 운반, 교환하는 장치들에서는 모두 전도, 대류, 복사의 열전도 현상이 일어납니다. 따라서, 기본적으로 열전달에 대해서 알고 있어야 공조냉동을 이해할 수 있습니다.

먼저 전도에 대해 알아보겠습니다. 전도는 주로 서로 맞닿은 물질 사이에 열이동이 일어나는 것을 의미합니다. 스푼이 담겨져 있는 커피잔을 예로 들어보겠습니다. 뜨거운 커피에 스푼을 담가놓고 시간이 어느정도 흐른 후에 만져보면 스푼이 뜨거워진 것을 확인할 수 있습니다. 우리가 흔히 얼음 찜질을 할 때 차가운 얼음팩을 피부에 갖다 대는 데 역시 시간이 흐른 후 피부를 만져보면 차가워진 것을 확인할 수 있습니다. 이렇게 서로 다른 물질이 맞닿았을 때 온도가 달라지고 열이 이동하는 것을 알 수 있습니다.

원자의 운동

물질은 원자로 이루어져 있습니다. 이 원자들이 온도가 올라가면 진동이 일어나는 데 진동에 의한 에너지로 인해 다른 원자에 다시 진동을 일으키게 됩니다. 이것이 반복되면서 열이 전달되고 온도가 변하는 것입니다. 그리고, 이러한 현상은 전도체에서만 일어납니다. 물질은 열이 전달되는 전도체와 열이 전달되지 않는 비전도체로 구분할 수 있습니다. 진공상태가 아닌 이상 전달양에 차이가 있을 뿐 대부분의 물질은 아주 작은 양이라고 하더라도 열이 전달됩니다.

전도에 의한 온도변화

열이 전도되는 현상을 아래와 같이 공식으로 표현한 것이 푸리에 법칙 (Fourier’s law) 입니다.

qx”는 열유속 (heat flux, W/m²)라고 하고 어떤 물질의 면적에 수직인 x 방향으로 단위 시간당 열전달변화율을 말합니다. 마이너스(-) 부호는 온도가 줄어드는 방향으로 변하는 것을 의미합니다. k는 열전도도 (thermal conductivity, W/m.K) 이고 열이 전도되는 물질의 특성을 나타냅니다. 물질마다 고유 값으로 정해져 있습니다.

위의 공식이 정상상태 (steady state, 시간에 영향을 받지 않음) 에서 선형으로 온도가 변화하므로 아래와 같이 다시 공식을 표현할 수 있습니다.

​​

열전도율 (heat rate of conduction) q_x (W)는 단위 면적당 열이동을 나타내는 열유속 q_x^” 에 열이 이동하는 물질의 면적 A 를 곱한 값으로 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

이므로

위의 공식은 실무에서도 많이 사용되고 있습니다. 주로 단열재를 선정할 때 사용하고 결로가 발생되는 지 여부를 판단할 때 많이 이용하고 있습니다.

공조냉동에서 주로 많이 다루는 물질이 열전도도를 아래와 같이 정리하였으니 참고하시기 바랍니다.