소방설비기사 소방유체역학 · 열전달 기초

Heat Transfer Basics

열전달은 전도·대류·복사 세 경로로 이동하고, 화재 확산과도 직결돼요. 각 모드 공식과 열관류(직렬 열저항)로 벽체·배관 단열을 계산해요. 전기 저항 아날로지로 열저항을 직렬 합산하면 전체 열유속을 구할 수 있어요. 모드별 식과 화재 응용 포인트가 표·시각화에서 보여요.

열전달의 3가지 모드

💡 열은 세 가지 길로 이동한다

①전도: 물질 내부에서 분자 진동으로 전달 (고체 벽)

②대류: 유체의 흐름이 열을 운반 (바람, 환기)

③복사: 전자기파로 전달. 매질 불필요 (태양열, 화염)

열전달 모드0 전도

전도·대류·복사 공식

전도 (푸리에 법칙)

q = -kA · dTdx

k: 열전도율(W/m·K), A: 면적, dT/dx: 온도구배. 마이너스 = 고온→저온

대류 (뉴턴 냉각법칙)

q = hAΔT

h: 대류열전달계수(W/m²·K), ΔT = T_s - T_∞

복사 (슈테판-볼츠만)

q = εσAT⁴

ε: 방사율(0~1), σ = 5.67×10⁻⁸ W/(m²·K⁴), T: 절대온도(K)

Chart

열전달 3모드 비교

구분	전도	대류	복사
매질	고체(주로)	유체	불필요
메커니즘	분자 진동	유체 이동	전자기파
온도 의존	선형 (ΔT)	선형 (ΔT)	T⁴ (비선형)
화재 응용	벽체 관통	연기 확산	화염 복사열

열관류: 직렬 열저항

벽1 열전도율 k₁1 W/(m·K)

벽2 열전도율 k₂0.5 W/(m·K)

열관류율 (총괄 열전달)

K = 11h₁ + δ₁k₁ + δ₂k₂ + 1h₂

열저항 직렬 합산. K가 클수록 열이 잘 통과. h[W/m²·K]·δ[m]·k[W/m·K]

💡 열저항 = 전기저항 아날로지

①직렬 열저항: R_total = R₁ + R₂ + ... (전기 직렬저항과 동일)

②대류 저항: 1/hA, 전도 저항: δ/(kA)

③가장 큰 열저항이 전체 열전달을 지배 (병목)

화재와 열전달

🔥 화재 시 열전달 응용

①화염 복사: q = εσT⁴. 온도 4제곱에 비례하므로 고온 화염에서 급증

②연기(대류): 상층부로 빠르게 확산 → 피난 시간 결정

③방화벽(전도): 열전도율 낮은 재료로 화재 확산 차단

④내화구조: 열관류율(K)을 낮춰 일정 시간 버틸 수 있게 설계

총정리

전도

q = -kA · dTdx

푸리에 법칙. k가 클수록 열전도 잘 됨

대류

q = hAΔT

뉴턴 냉각법칙. h는 유체 종류와 유동 상태에 의존

복사

q = εσAT⁴

슈테판-볼츠만 법칙. T⁴에 비례: 고온에서 지배적

🎯 시험 포인트

①전도: q = kAΔT/δ (평판), 열전도율 k 단위 W/(m·K)

②대류: h 값이 주어지면 바로 q = hAΔT 적용

③복사: T는 반드시 절대온도(K), σ = 5.67×10⁻⁸

④열관류: 직렬 열저항 합산 → K = 1/R_total

⑤화재 시 복사열이 T⁴에 비례 → 온도 2배면 복사 16배