안녕하세요 ^^

평소에 테드에 매우 자주- _-);; 들어오고 올라오는 많은 글들을 항상 즐거운 마음으로 읽기만;;
하는 한가람 이라고 합니다. 이렇게 게시판 글로는 처음 인사드리는 것 같네요..

항상 여러분들 께서 올려주시는 좋은 글 잘 읽고 있습니다  감사드려요~ :D 

평소에는 조용히 눈팅만 하면서 글만 읽고 히히덕 거리는 제가 용기내어;;;;;;;
이렇게 글을 쓰는 이유는(정말 용기냈어요....ㅠ _ㅠ) 

아래 권규혁님께서 올려주시는 만화의 한 컷 때문에 이루어지는 토론에 파장분위기에서
발한번 담궈볼까 해서......................쿨럭;;; 하하;;

저도 아직 공부하는 학생이고 많은 부분에서 체계가 완전히 잡혀 있지 못합니다. ^^a
(잡혀있으면 지금 교수하고 있겠...;;)

하지만 그래도 관련된 전공분야를 하고 있고 저도 강의시간에 배운걸 정리나
해볼까 하는 생각으로 올리는 것이니 편평비 15의 얇디얇은 타이어 같은 지식이라도;;;
도움이 되셨으면 합니다.  ^^;;


일단 이 세상의 모든 열전달은 3가지 방법에 의해 이루어 집니다.

전도 - Conduction
대류 - Convection ( = Conduction + Advection)
복사 - Radiation

  개략적인 내용에 대해서는 많은 분들께서 중고등학교 과학시간에 교과서나 기타 실험 예시등을
통하여 아실 것이라 생각합니다. 고로 각각에 대한 물리적인 부가 설명을 생략하도록 하겠습니다. 
(사실 저도 말로 풀어서 설명하려니 힘들어요 ㅠ ㅅ ㅠ)

  사실 열전달 이라는 분야가 굉장히 광범위한 범주라서 관련된 학과를 오시면 학부때 "열전달"
이라는 분야를 하나의 독립된 분야로 배우시게 되고 대학원에 진학하시게 되면 각각의 현상,
특히나 "복사"'를 통한 열전달은 매우 중요하면서 어려운 분야로서 따로 파고 들게 되십니다...

그만큼 "복사"라는게 어려운 현상인데요 ^^;;
특히나 이런 문제같이 문제의 성격이 명확하지 않은 경우에는 더욱 그런 것 같네요...

"검은색 휠이 열 방출이 더 잘 일어나냐?"

라는 간단한 질문이지만 사실 많은 조건이 문제에 충분히 설명되지 않았거든요..
그래서 생각하는 방향에 따라서 다양한 의견이 제시될 수 있고 이렇게 길게 쓰레드가
이어질 수 있는 것이겠죠...^^a

일단 문제에 대한 정의부터 확실히 하도록 하겠습니다.
일반적인 검은색휠을 끼고 있는 G37 쿱*ㅡㅛㅡ*이 있습니다.(차종은 제..젲....제 마음입니다!! ....;;;)

그렇다면 휠을 통해 방출되는 열은 어디서 오는 것일까요??
제 생각에는 디스크 패드와 로터 말고는 딱히 없을 것 같습니다...
(물론 완전히 없다는 것이 아니라 엔지니어 관점에서 문제를 단순화 하기 위하여 
그다지 큰 영향을 끼치지 않은 요소들은 제외하였습니다. ^^)

그럼 디스크패드와 로터로 부터 휠까지는 어떻게 열이 전달되는 것일까요?
1. 전도 
2. 대류
3. 복사 

일단 제 생각에는

1. 전도가 가장 큰 영향을 끼칠 것 같고

2. 대류는 고속으로 주행하고 있는 자동차의 브레이크 시스템으로 부터 대류를 통해 방출된 열이 
휠로 다시 전달 된다고는 생각하기 힘들군요....방출된 열은 G37의 상대적인 이동에 의해 휠에는 
열 에너지를 전달할 충분한 시간을 가지기 힘들 것 같습니다. 

3. 복사를 통한 전달은 사실 이와 같은 상황에서 고려하지 않아도 좋습니다. 복사를 통한 에너지의 이동이란게 기본적으로 "온도의 4승"에 비례하고 슈테판-볼츠만 상수는 5.67*10^-15 [W/cm^2/K^4]이기 때문에 (-15승!!!!!) 
 
"매우 고온"의 물체가 아니라면 그 영향은 전도나 대류에 비해 매우 미미합니다. ^^ 

일반적인 G37과 같은 자동차의 패드에서 1000K 이상의 고온이 "지속적으로"
나타날 것이라고는 생각하기 힘드네요...

즉 휠이 "흡수"하는 열 에너지는 주로 전도-_-에 의한 것이라고 봐도 좋겠습니다. 
하지만;; 아무래도 복사에 대한 쓰레드인 만큼 1+3을 통해 휠로 에너지가 전달 된다고 하겠습니다~~ 

그리고 휠이 "방출"하는 열에너지는 주로 대류에 의하겠지만 이 경우도 마찬가지로
2+3의 방식을 통해 대기중으로 전달 된다고 하겠습니다~~ 

자 그럼 이제 문제의 성격이 명확하네요 ^^


a.
                                           전도 + 복사                                     대류 + 복사
브레이크의 열에너지 ---------------------->   검은색 휠 ---------------------------->   대기


b. 
                                           전도 + 복사                                     대류 + 복사
브레이크의 열에너지 ---------------------->   하얀색 휠 ---------------------------->   대기



a와 b 중에 어떤게 열 방출을 잘 할까요~??
길게 말을 풀어서 설명하기 전에 결론부터 말씀드리고 시작하겠습니다.
 
모든 것이 같은 조건에서는 a가 열 방출성이 좋습니다.
                                                ~~~~~

글이 많이 길어져서 읽기 힘드신 분들도 있으실 것 같아서 일단 결론을 말씀 드렸습니다.



자...그럼 왜? 왜? 그럴까요??

다른 모든 조건 (휠의 재질, 형상, 대기 조건, 자동차의 운동 내역)들이 같다면 사실 위의 열전달 
경로에서 전도와 대류는 빼도 됩니다. 색이 햐얀색이거나 까만색이거나 같거든요-_-
재질이 같으면 전도에서 k값이 같을 것이고
형상과 대기조건, 자동차의 운동내역이 같다면 대류에서 h값이 같겠네요~
남은건 복사밖에 없근영!! (근영아...사..사랑한다!!)

드디어 우리는 순수하게 "복사"에 대한 문제로 들어왔습니다!! 만세!! (/ -_-)/



덧, 글이 길어져서 담배한대 피우고 와서 계속 쓰도록 하겠습니다 ㅠ_ㅠ
덧 2, 동규형 사랑해요!!!!!! 아잉~♡ 



자 그럼 과연 흰색과 검은색 휠 중 어떤 것이 열 방출에 좋을 것 인가?
이를 정확하게 설명하기 위해서는 복사 열전달에 있어서
Intensity 와 Flux에 대한 개념을 이해하셔야 하고
재질의 4가지 특성

Emissivity           =  방출성 
Absorptivity         =  흡수성
Reflectivity          =   반사성
Transmissivity   =  투과성

에 대해 이해하셔야 합니다.

그리고 위의 항목들이 파장(wave length)과 Unit solid angle의 영향을 받기 때문에 
이에 대해서도 이해 하셔야 합니다. 

  하지만 이 경우 우리는 모든 방향에 대해 열 방출 특성이 같은 Isotoropic한 물질을  가정하겠습니다.
이렇게 안하면 고려할 사항이 너무 많고 이 가정하에서도 공학적인 관점에서 괜찮은 결과를
얻을 수 있거든요 ^~^

여기서 중요한 법칙이 하나 나오게 됩니다.
바로 전자공학을 하셨다면 익숙하실 키르히호프의 법칙(Kirchhff's law)인데요
복사를 통한 열전달에도 마찬가지로 키르히호프의 법칙이 있습니다.
어차피 전자공학에서도 에너지 보존을 이야기 한 것이니 근본은 같은데요..
복사 열전달에서 좀 다른 형태를 가지고 나타납니다.

법칙의 내용은 아래와 같습니다.

"물체가 열역학적 평형상태에 있다면 특정 wave length & solid angle에 대하여
Emissivity와 Absorptivity는 같다."

그리고 이 법칙의 확장판으로
wavelength의 영향을 받지않는 물질일때,
Isotropic한 물질일때 
그리고 wavelength의 영향을 받지않는 물질이면서 Isotropic한 물질일때가 있습니다.  
(Diffuse or Non-diffuse condition, Gray or Non-gray condition)

뭐가 되었던지 간에 말하고자 하는 것은 하나 입니다.

"들어오는 에너지나 나가는 에너지는 같다"



"잘 받아들이는 녀석은 잘 내보낸다"

입니다.

우리가 흔히 알고 있는 흰색이 열을 잘 반사하고 검은색이 잘 흡수한다는 내용은
물질의 Reflctivity에 관련되어 있는데요
투과성이 0인 재료라면(예를들어 금속 - 휠) 들어오는 에너지는 반사되던지 흡수되던지 둘중의 하나에
따르게 됩니다.

반사성이 높으면 흡수성이 낮고 
반사성이 낮으면 흡수성이 높겠죠

그리고 키르히호프의 법칙에 따라 위의 말을 다시 쓰면

반사성이 높으면 흡수성(=방출성)이 낮고
반사성이 낮으면 흡수성(=방출성)이 높게되는 겁니다.

그래서 흰색은 검은색에 비해 반사성이 높기때문에 열을 적게 흡수하고
방출하는 에너지 량도 적게 되는 것이죠.

즉 결과적으로 검은색 휠은 흰색에 비해 열을 잘 반사하지 못하고 
흡수하는 성질이 높고 그렇기 때문에 방출하는 에너지량이 많다~~~~ 되겠습니다. 


휴;;; 힘드네요 ^^
그래도 많은 분들의 의문을 해소하시는데 도움이 되셨으면 합니다. 

위의 내용은 John wiley & sons 출판사, 저자는 M.Quinn Brewster의 
Thermal Radiative transfer & properties 책과 
McGrawHill 출판사, 저자 Michael F. Modest의 
Radiative heat transfer를 기반으로 했습니다. 

 관심있으신 분은 참고하시면 좋을 듯 합니다. 

감사합니다.