열역학과 열전달의 차이 예시로 쉽고 짧게 설명하기(+Fin의 역할)

열전달 기말 시험을 앞두고 있다. 역학을 좋아하지만 시험기간에는 왠지 공부가 하기 싫다. 

아무튼, 오랜만에 글을 쓰러 왔는데 뭘쓸까하다가 오늘 복습한 열전달 그리고 열방출에 중요한 역할을 하는 Fin에 대해서 정리하려고 한다.

 

1. 열역학과 열전달의 차이

먼저 두 과목을 관통하는 자연현상을 예를 들고 각 과목이 어떤 부분에 집중하는지 이야기할 것이다.

핵심 자연현상 : 서로 다른 온도차의 물체가 있고 각각의 물체 안의 열은 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동한다. 시간이 흘러 어느 시점에서는 서로 같은 온도가 될 것이다. 

세부적으로 과정을 나누면

1) 열이 이동하기 전, 서로다른 온도의 물체가 있는 상태

2) 열이 이동하는 과정

3) 열 이동이 끝나고 두 물체의 온도가 동일해진 상태 이다.

열역학은 1)과 3)을 가지고 전과 후의 상태의 값(압력, 온도, 부피 등)을 구하고자 하며 열전달은 2), 즉 열이 이동하는 과정에서 각 물체가 정확히 몇초에 몇도가 될지를 구하고자 한다.

 

예)

열역학 : 25도의 방안에 뜨거운 라면이 있다. 라면이 다식어 약 200kJ의 열이 라면에서 방의 공기로 전달되고 라면과 방은 같은 온도가 되었다. 라면과 방의 온도는 몇도가 되었을까?

열전달 : 25도의 방안에 뜨거운 라면이 있다. 라면이 70도가 되는데까지 얼마만큼의 시간이 걸릴까?

 

2. Fin의 역할

최근 배터리 사업이 각광받고 있는데 배터리의 효율에는 열관리가 필수다. 배터리를 사용할 때 배터리에서 나오는 열을 적절히 방출하여 최적의 온도조건을 유지해야 하는데 이 때, 열방출을 위한 방법에는 열을 빼내는 장치(에어컨 같은)를 두거나 Fin을 설치하여 표면적을 늘리는 방법이 있다. 장치를 두는 것보다도 Fin을 이용하는 것이 가격 대비 효율이 좋아 많이 사용한다. 

전자제품 보드의 열방출에 쓰인 Fin. 사진자료:https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/choosing-the-right-heat-sink

 

3. Fin의 원리

열을 전달하는 방법에는 3가지가 있다. 전도, 대류, 복사가 있는데, 간단히 말해 전도는 물체, 입자를 통한 열전달, 대류는 고체와 이동하는 유체 사이의 열전달, 복사는 빛의 형태로 열을 전달하는 것이다. 

뜨거운 이마에 차가운 수건을 얹어 열을 식히는 것은 전도열전달, 더운 여름 선풍기 바람을 쇠는 것은 대류열전달, 뜨거운 태양빛을 통한 복사열전달로 예를 들 수 있다.

Fin은 배터리 표면에 만들어 표면적을 넓힌다. 표면적은 대류열전달을 더 잘하게끔 하는 인자다. 하지만 너무 많은 Fin은 공기 흐름을 방해할 수 있어 적절한 Fin 수 조절이 필요하다.

 

필기 노트의 이미지를 가져왔는데 Q_f는 물체 표면에서의 열전달률, Q_convection은 대류열전달을 통한 열전달률이다. 제품으로부터 계속해서 발생하는 열 Q_f를 Fin을 통해서 같은 시간동안 더 많은 열을 방출한다.(Fin이 없는 것에 비해)

Fin으로 들어오는 열을 Q_f라 볼 수 있고 Fin으로부터 나가는 열을 Q_conv으로 볼 수 있는데 들어온 열 Q_f는 Fin의 오른쪽 끝부분으로 갈 수록 Q_conv으로 방출되면서 오른쪽으로 전달되는 열률(단위시간당 열전달량)은 점차 줄어들게 된다.

 

4. 현장에서의 Fin해석

지금 학교에서는 정상상태(시간이 지나도 상태가 일정함)를 가정으로 공부하는데 현장에서 더 정확한 해석을 위해서는 비정상상태로 해석을 진행한다고 한다. 정상상태는 문제를 간단화하여 푸는 것인 만큼 해석결과를 도출하는데 짧은 시간이 걸리지만 비정상상태 해석은 더 많은 시간이 걸린다. 이러한 해석이 정확한지는 실제 실험을 해야지만 확인할 수 있다. 이러한 해석과 실험을 통해 적절한 Fin을 설계할 수 있다.

 

이러한 공부를 하고 있다. 더 자세한 내용을 다루고 싶지만 내용이 방대하다. 나중에 열역학과 열전달의 요약정리 영상을 제작해볼 수 있으면 좋겠다.

 

이제 시험공부를 하고 취업준비 계속해나가야 하는데 이글을 보는 여러분들도 다들 준비잘하시면 좋겠다.