에너지관리기능사 열전달의 종류 — 열의 이동을 세는 기본량

열은 온도가 다른 두 곳 사이를 이동한다. 그 이동 자체를 가리키는 말이 전열이고, 전도·대류·복사가 그 방식이다. 보일러에서는 연소가스의 열이 관벽을 지나 물로 옮겨 가므로, 열이 얼마나 이동했는지를 열량으로 세는 일이 기본이 된다.

비열은 물질 1kg의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량이며 단위는 kcal/kg·℃다. 같은 정의를 1g 기준으로 세우면 단위가 cal/g·℃가 된다. 문제에 1kg과 1℃가 나오면 비열, 물체 전체를 1℃ 올리는 열량을 물으면 열용량이다. 열용량은 질량이 클수록 커진다.

비열의 단위를 고를 때는 분모를 확인한다. 열량을 질량과 온도로 나눈 kcal/kg·℃가 비열이고, kcal/h·℃는 시간당 열량 계열, kcal/m²·h·℃는 열이 벽면을 통과하는 정도를 나타내는 단위다. 분모에 kg과 ℃가 함께 있는지를 보면 비열 단위를 가려낼 수 있다.

기체의 비열은 압력을 고정하느냐 부피를 고정하느냐에 따라 두 가지로 나뉜다. 정압비열은 압력을 일정하게 두고 가열할 때, 정적비열은 부피를 일정하게 두고 가열할 때 필요한 열량이다. 압력이 일정하면 기체가 팽창하며 바깥을 미는 일을 하므로 같은 온도를 올리는 데 열이 더 든다. 그래서 정압비열이 정적비열보다 크고, 비열비 K=Cp/Cv는 항상 1보다 크거나 같다. 공기의 비열비가 약 1.4인 것도 이 까닭이다.

물질 가운데 비열이 큰 쪽은 물이다. 물의 비열은 약 4.2 kJ/kg·℃이고, 증기·공기·배기가스 같은 기체는 대략 1 kJ/kg·℃ 안팎이다. 같은 열을 가해도 기체의 온도가 더 빨리 오르는 이유가 여기에 있다. 물이 냉각수나 난방용 열매체로 쓰이는 것도 비열이 커서 열을 많이 품을 수 있기 때문이다.

열을 받은 물질의 상태 변화도 함께 본다. 상 변화 없이 온도만 바뀌면 현열, 온도 변화 없이 상태만 바뀌면 잠열이다. 끓는 물에 열을 계속 가해도 온도가 100℃에 머무는 것은 가한 열이 잠열로 쓰이기 때문이다. 상 변화 없이 온도를 높이는 열을 고르라는 문항에서는 현열을 답한다.

단위 중량당 물체가 가지는 열량은 엔탈피다. 내부에너지에 압력×부피를 더한 값으로 h=u+pv로 적는다. 비열은 온도를 1℃ 올리는 열량, 엔트로피는 무질서도, 비중량은 단위 부피당 무게이므로 엔탈피와 섞이지 않는다.

액체의 비중은 4℃의 순수한 물을 기준으로 한다. 이때 물의 밀도를 1로 두고, 그 액체의 밀도를 물의 밀도로 나눈 값이 비중이다. 수은은 밀도 13.6 g/cm³이므로 비중 13.6, 알코올은 0.8 g/cm³이므로 비중 0.8이 된다.

열량 계산은 열전달의 크기를 세는 마지막 단계다. 물 100kg을 20℃에서 90℃로 올리려면 100×1×(90−20)=7,000 kcal가 들고, 비열 0.6 kcal/kg·℃인 연료 30kg을 15℃에서 35℃까지 예열하려면 0.6×30×20=360 kcal가 든다. 두 계산 모두 나중 온도에서 처음 온도를 뺀 차이를 넣는 것이 관건이다.