열역학에서 외부 에너지의 개입이 없는 상황에 관한 내용은 단열과정 문서를 읽어 주세요.
단열(斷熱, Thermal insulation)은 열의 흐름을 막는 현상으로, 열을 취급하는 곳에서는 중요하게 여기는 현상이다. 열이 계속 흐르면 에너지를 낭비하게 되기 때문.
개요[편집 | 원본 편집]
열이 전달되는 방식은 전도, 복사, 대류 세 가지 방식이 있는데 보통 단열은 주로 전도를 막는 방법을 사용한다. 열역학에 의하면 모든 물체는 서로 닿았을 때 자신의 에너지를 다른 물체에게 전달하는데, 이 현상을 전도라고 한다. 모든 물질마다 전도를 얼마나 잘 할 수 있느냐를 나타내는 전도율이란 지표가 있는데, 단열은 전도율이 낮은 물질을 주위에 둘러서 열 전달 속도를 늦추는 방법으로 작동한다. 이론적으로 진공일 때에는 전도가 일어나지 않기 때문에 물체 사이를 진공상태로 만드는 것은 높은 단열 효율성을 가진다.
금속의 경우 자유전자가 열 전달의 대부분을 담당하여 열 전도율이 높아 단열재로 부적절하다. 역으로 전자가 잘 이동하지 못하는 물질인 부도체의 경우 대개 열 전도율 또한 낮아 단열재로 사용할 수 있다. 다만 전기 전도와는 다르게 결정 격자의 진동, 입자로 표현하면 포논이 적게나마 열 전달을 담당하기 때문에 완전히 열 전달을 막지는 못한다.
전도가 아닌 대류나 복사를 방지하는 방법도 적용되고는 있는데, 대류를 막기 위해서 공기를 제거한다거나, 복사를 막기 위해서 알루미늄 호일과 같은 빛을 반사하는 물질을 두르는 것이 바로 그것이다. 복사열은 보통 적외선의 형태로 빠져나가기 때문에 적외선을 흡수하지 않고 반사하는 물체는 복사로 인한 열을 적게 받게 된다.
주요 사용처[편집 | 원본 편집]
- 건축물
- 건축물의 단열은 냉난방 효율을 따지는 데 중요한 부분이다. 공조기를 백날 돌려도 단열이 부실하면 줄줄 새나가기 때문에 효율성이 크게 떨어지고, 외기와 맞닿는 벽에 결로가 생긴다. 겨울 뿐만 아니라 여름에도 중요한데, 태양의 복사열을 방어하는 데 요긴하기 때문이다. 자세한 규정은 <건축물의 에너지절약설계기준>에서 볼 수 있다.
- 플랜트 및 집단에너지
- 고열을 사용하는 플랜트나 열을 장거리수송하는 집단에너지에서 생산비용을 아끼려면 열을 수송하는 배관을 단열해야 한다. 그렇지 않으면 기껏 데워놓은 열원이 빠르게 식어서 생산비용이 높아질 뿐만 아니라 내용물이 상온에서 굳는 재질일 경우 플랜트에 손상이 발생하기도 한다.
단열재[편집 | 원본 편집]
- 공기
- 공기는 최고의 단열재다. 벽을 이중으로 세우고 중간 공간을 완전히 밀봉할 수 있다면 이만한 단열재가 없다. 보온병이 이런 방법으로 열을 지킨다. 진공으로 할 수 있다면 더욱 좋지만 밀봉을 유지하기 어렵다.
- 섬유재(솜, 글라스울, 세라믹울 등)
- 미세한 섬유를 헝클어서 공기주머니를 만들어 단열 효과를 만든다. 솜이불이 대표적. 섬유재의 단열효과는 두툼한 빈공간에서 오기 때문에 꾹꾹 누르면 단열효과가 현저히 감소하므로 주의. 과거에는 석면도 재료로 사용했으나 건강상 문제로 퇴출되었다.
- 발포재(스티로폼, 발포우레탄 등)
- 미세한 공기방울을 모아 굳혀서 단열 효과를 만든다. 스티로폼 박스는 이미 자주 봤을 것. 섬유재에 비해 취급 및 시공이 용이하며 특히 발포우레탄은 공장에서 액상으로 공급되기 때문에 그냥 쏘기만 하면 된다. 하지만 화재에 취약하기 때문에 건축물에 사용할 때는 불연재 사이에 밀폐시키는 등 대책이 필요하다.
- 반사체
- 열복사를 방지하는 방법으로 호일, 은박 해가리개 등이 해당한다. 지붕을 흰색으로 덮는 것도 같은 이치.
단열을 해치는 경우[편집 | 원본 편집]
- 열교(熱橋)
- 단열재를 뚫고 열을 전달하는 매개체. 경량목구조의 구조체들, 경량철구조의 잘못된 시공, 단열되지 않은 바닥, 출입구·창호 등이 이에 해당되며 열교를 끊으면 단열 효율이 좋아진다. 그 노력 중 하나가 시스템 창호나 이중창.
- 웃풍