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Convection

Illustrates how fluids absorb and diffuse heat.

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대류

냄비안의 물이  펄펄 끓고 있다. 불꽃이 냄비 아래에서 가열을 하고 있는데 어떻게 냄비 안의 물이 뜨거워질까? 그에 대한 답은 대류이다.  

대류의 정의

대류(Convection)란 입자가 유체(액체나 기체) 사이를 이동하며 열에너지를 전달하는 현상이다.  열에너지는 물질 입자의 전체 에너지이며 이의 이동을 열이라 부른다. 대류는 열에너지 이동의 세가지 방식 중의 하나이며 다른 두 방식은 전도와 복사이다. 열에너지는 항상 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동된다.  

대류는 어떻게 일어나는가?

아래 그림은 주전자의 뜨거운 물을 예로들어 대류가 어떻게 일어나는지를 보여준다. 한 지역의 액체(여기에서는 냄비 아래쪽의 물) 입자가 열에너지를 얻으면 그들의 움직임이 빨라지고 충돌이 늘어나며 더 멀리 퍼진다. 이는 입자의 밀도를 감소시켜 액체를 위로 올라가게 한다. 위로 올라온 입자들은 액체의 다른 입자들에 열에너지를 전달하고 식게된다. 에너지가 줄어들면 입자의 움직임이 느려지고 충돌이 줄며 더 가까이 모이게 된다. 이는 입자들의 밀도를 증가시켜 액체 아래쪽으로 가라 않게 한다. 입자들이 아래쪽에 가라 않으면 다시 앞의 열에너지 전달과정이 반복된다. 그 결과 움직이는 입자들이 흐르는 고리가 형성되며 이를 대류전류(convection current)라 한다.  다음 사이트에서 “Convection”이라는 만화 애니메이션을 통해 대류전류에 대해 더 학습할 수 있다.  http://www.sciencehelpdesk.com/unit/science2/3

대류전류: 뜨겁고 밀도가 작은 물은 위로 차겁고 밀도가 큰 물은 아래로 이동한다.

대류의 예

대류전류는 냄비의 물뿐만 아니라 많은 액체를 통하여 열에너지를 전달한다. 예를 들어, 지구표면 아래의 용융된 암석, 대양의 물, 대기 중의 공기를 통해서 열에너지가 이동된다. 대기의 대류전류는 바람을 형성하는데  이 현상이 일어나는 과정을 아래의 그림에서 볼 수 있다. 육지는 바다의 물보다 비열이 작기 때문에 대양보다 더 빨리 더워지고 더 빨리 식는다. 따라서 육지는 낮에는 바다보다 더 빨리 더위지고 밤에는 바다보다 더 빨리 식는다. 낮 동안에는 육지 위의 더워진 공기가 상승하고 그 자리로 바다의 차거운 공기가 이동한다. 밤 동안에는 이와 반대 형상이 일어난다. 따뜻한 공기가 물 위로 올라가고 이 자리로 육지 위의 차거운 공기가 이동한다.   

Q: 낮 동안에는 어느 방향으로 공기의 열에너지가 이동되는가? 밤에는 어떤 방향으로 이동되는가?

A: 낮에는 열에너지가 육지위의 공기에서 바다 위의 공기로 이동되며, 밤에는그 반대 방향으로 이동 된다.  

요약

  • 대류란 유체를 통해 입자가 열에너지를 전달하는 현상이다. 열에너지는 항상 온도가 높은 지역에서 낮은 지역으로 이동된다.  
  • 이동하는 입자는 액체를 통하여 대류전류를 형성하여 열에너지를 전달한다. 
  • 대류전류는 지구내부의 녹은 암석, 대양의 물, 대기 중의 공기 등 많은 유체를 통해 열에너지를 전달한다.  

용어

  • 대류(convection): 액체를 통해 움직이는 입자에 의한 열에너지의 이동(전달) 
  • 대류전류(convection current): 입자의 온도와 밀도의 차이에 의한 액체 입자 흐름의 고리 

연습

아래 사이트의 비디오를 보고 다음 질문에 답하라. . http://video.google.com/videoplay?docid=1902141755519014330#docid=7379647004466944857

  1. 비디오에서 본 것을 설명하라.
  2. 관찰한 것을 설명하라.
  3. 비디오의 과정이 계속된다면 관찰하게 될 것을 예상해보라.  

복습

  1. 대류란 무엇인가?
  2. 대류가 어떻게 일어나며 대류전류가 왜 생기는지를 설명하라.  
  3. 아래 그림의 집에서 라디에이터의 열에너지가 방의 다른 곳에 어떻게 전달되는지를 대류전류 화살표로 표시해보라.  방의 따뜻한 부분과 차거운 부분을 표시해보라.  

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