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소방설비기사 소방유체역학 · 열전달 기초

Heat Transfer Basics

열은 전도 · 대류 · 복사 세 길로 옮겨 가고, 화재가 번지는 방식도 이 셋으로 설명된다. 모드마다 식이 있고, 벽체나 배관의 단열은 여러 층의 열저항을 직렬로 더한 열관류율로 계산한다. 전기 저항처럼 열저항을 더해 두면 전체 열 흐름을 한 번에 구할 수 있어요. 위 그림은 열전달 모드 슬라이더 0 · 1 · 2 로 전도 · 대류 · 복사 장면이 바뀌고, 아래 그림은 벽1 · 벽2 열전도율 슬라이더에 따라 직렬 열저항과 고온에서 저온으로 떨어지는 온도선이 바뀌어요.

열전달의 세 가지 모드

💡 열은 세 가지 길로 옮겨 간다
①전도: 물질 안에서 분자 진동으로 전해진다(고체 벽)
②대류: 유체의 흐름이 열을 나른다(바람, 환기)
③복사: 전자기파로 전해져 매질이 필요 없다(햇볕, 불꽃)
0 전도

전도 · 대류 · 복사 식

전도(푸리에 법칙)
q = -kA · dTdx
k: 열전도율(W/m·K), A: 면적, dT/dx: 온도 기울기. 마이너스는 고온 → 저온 방향
대류(뉴턴의 냉각 법칙)
q = hAΔT
h: 대류 열전달 계수(W/m²·K), ΔT = Ts − T∞
복사(슈테판-볼츠만)
q = εσAT⁴
ε: 방사율(0 ~ 1), σ = 5.67×10⁻⁸ W/(m²·K⁴), T: 절대 온도(K)

Chart

열전달 세 모드 비교
구분전도대류복사
매질주로 고체유체필요 없음
메커니즘분자 진동유체 이동전자기파
온도와의 관계선형(ΔT)선형(ΔT)T⁴(비선형)
화재에서벽체를 지나는 열연기 확산불꽃의 복사열

열관류: 직렬 열저항

1 W/(m·K)
0.5 W/(m·K)
열관류율(전체 열전달)
K = 11h1 + δ1k1 + δ2k2 + 1h2
열저항을 직렬로 더한다. K 가 클수록 열이 잘 지나간다. h[W/m²·K] · δ[m] · k[W/m·K]
💡 열저항과 전기 저항
①직렬 열저항: R_전체 = R₁ + R₂ + ...(전기 저항의 직렬과 같음)
②대류 저항은 1/hA, 전도 저항은 δ/(kA)
③가장 큰 열저항이 전체 열전달을 좌우해요(병목)

화재와 열전달

🔥 화재 때 열전달
①불꽃 복사: q = εσT⁴ 라 온도의 네제곱에 비례해 뜨거운 불꽃일수록 급격히 커진다
②연기(대류): 위층으로 빠르게 퍼져 피난 시간을 정해요
③방화벽(전도): 열전도율이 낮은 재료로 불이 번지는 것을 막는다
④내화 구조: 열이 잘 지나가지 않게 해 정해진 시간을 버티도록 설계해요

총정리

전도
q = -kA · dTdx
푸리에 법칙. k 가 클수록 열이 잘 전도된다
대류
q = hAΔT
뉴턴의 냉각 법칙. h 는 유체의 종류와 흐름 상태에 따라 달라진다
복사
q = εσAT⁴
슈테판-볼츠만 법칙. T⁴ 에 비례해 고온에서 가장 커져요
🎯 시험에서 볼 자리 다섯
①전도: 평판에서 q = kAΔT/δ, 열전도율 k 의 단위는 W/(m·K)
②대류: h 값이 주어지면 바로 q = hAΔT
③복사: T 는 반드시 절대 온도(K), σ = 5.67×10⁻⁸
④열관류: 직렬 열저항을 더해 K = 1/R_전체
⑤복사열은 T⁴ 에 비례하므로 절대 온도가 두 배면 16배가 돼요
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