[열전달] 저항개념, 접촉저항(Interfacial Resistance)

​- 열저항

- 접촉저항 (interfacial resistance)

- product 디자인에서 온도에 따른 팽창 정도

- Eigen value = 고유값/고유벡터

- 절연처리(Insulation)

 

열저항

저항을 생각하면, 우선 회로의 저항과 연결하여 생각하기 쉽다.

그 저항이 맞다. 다만, 여기서는 열 흐름을 억재하는 저항을 나타낸다.

두 식을 비교하면,

에너지를 대변하는 I & q

이들은 potential(V, T) 차이에 의해 선형적으로 변한다.

그렇게, 열흐름 식의 남은 부분(-kA/L)의 역수를 저항으로 취해준다.

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저항의 구성을 보면, 전도성(물성, 물질에 따라 결정)인 k와 물질의 사이즈나 모양(A단면적, L길이)에 의해 결정된다.

즉, 시스템을 디자인 함에 있어, 저항은 초기에 물질과 product 디자인을 하는 과정에서 결정되고,

열변화/흐름에 대해서는 저항의 변화가 없는 경우가 대부분이다.

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저항은, 온도차로 발생하는 열의 흐름을 방해한다고 했다.

그럼 저항이 크면 온도를 잘 잡아준다는 말, 겨울옷에는 큰 열저항의 물질을 사용하고 여름엔 반대.

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이 개념이, 열전도 시스템을 전자시스템 처럼 풀음로써(직렬연결, 병렬연결)

시스템 속의 모든 (T-x그래프를 그렸을 때)변곡지점들의 T와 q를 구할 필요없이 시스템 전체의 해석이 가능하다.

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접촉저항(Interfacial Resistance)

우리 눈으로 보기에는 두 물체가 바짝 붙어있는 것처럼 보이지만,

실상은 마이크로 단위에서 수만은 빈 공간들이 생긴다.

이런 공간들이 커지고, 접촉면적이 작아지며 발생하는 열전도성의 감소,

이를 접촉저항이라 한다.

(이 접촉저항으로 효율이 10~20%까지도 떨어진다고 한다.)

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어릴 때, 얼음을 만질 때. 손에 꽉 쥐면 그냥 살짝 댔을때보다 손이 차갑다.

뜨거운 것을 만질때도, 어느정도 뜨거울지를 모를 때는 살짝살짝 대보며 뜨겁고 아님을 가늠한다.

손으로 처음부터 꽉 쥐어버리면 화상을 입을정도로 뜨거울 수 있기에.

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접촉저항을 줄이기 위해, 저런 틈새틈새를 매꿀 작은 particle들을 집어 넣어주던가,

저 틈새들이 완화될 수 있게끔 양방향에서 압력을 준다. (위의 얼음과 뜨거운 물질의 예시에 해당하는 내용이다.)

다만 나름 1자모양의 빈틈들이 생긴다면 괜찮지만,

애초의 모양이 울퉁불충하면, 그만큼 접촉저항을 줄이기는 힘들어 진다.

그리고 양끝에 나사를 조여줘 압력을 가한다고 한다면,

위와 같은 상황을 고려한 공차 디자인이 필요하다.

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product 디자인에서 온도에 따른 팽창정도

제품/재료를 결합할 때의 온도와 사용할 때의 온도가 다를 수 있다.

상온에서 결합하여 제품을 내보내고, 사용되는 곳은 100도씨 정도의 온도라면,

그 온도차로 인한 열팽창을 잘 살펴야한다.

제품에서 각각의 작은 바디들을 연결하는 나사나 조인트들의 열팽창이 크다면, 이부분으로부터 크렉이 발생하고, 망가질 것이다. (당연히 제품에 들어가는 모든 물질별로의 열팽창 정도가 다를 것이니, 그를 감안하여 디자인해야 할 필요가 있을 것이다.)

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Eigen value = 고유값/고유벡터

물질마다 고유 진동 방향, 진폭등이 있다.

고등학생 물리시간에, 바람의 진동과 한 다리의 진동이 일치하며 바람에 의해 천 마냥 흔들리다 부서진 케이스를 다룬다. (공명)

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그리고,

열의 전달에서도 이 진동이 중요히 작용한다고 한다. 다만, 그렇게 크게 작용하는지는 모르겠다.

서로 다른 물질에서, 물질 간 vibration 주기가 너무 다르면, 진동이 넘어가기 어렵다고 한다.

 

앞서, 열은 원자/분자의 진동으로 인해 전달된다고 했다. 그런 진동이 넘어가지 못하는 벽/경계가 생긴다면 그만큼 

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절연처리(Insulation)

기본적으로 절연체의 두께가 두꺼워 지면 열보호가 더 잘 된다.

다만, 아주 얇은 열선의 경우, 두꺼워지면 열저항이 내려가 절연능력이 떨어지는 구간이 아주 잠깐 존재한다.

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절연체의 두께가 두꺼워짐에 따라

전도에 대한 저항은 늘어나고

대류에 대한 저항은 줄어든다.

(Radial System의 대류와 전도의 저항식을 따라,)

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Fundamentals of Heat and Mass Transfer (7th ed) 참고