대류

맨틀 내부의 열 대류 시뮬레이션. 뜨거운 영역은 빨간색으로, 차가운 영역은 파란색으로 표시된다. 아래쪽의 뜨겁고 밀도가 낮은 물질은 위로 이동하고, 마찬가지로 위쪽의 차가운 물질은 아래로 이동한다.

대류(對流, 영어: convection)는 유체에 작용하는 겉보기힘과 물질 특성의 이질성이 결합된 효과를 통해 자발적으로 발생하는 단상 또는 다상 유동이다. 대류의 원인이 명시되지 않은 경우, 열팽창(밀도 변화)과 중력/부력의 효과로 인한 대류를 상정할 수 있다(대류열 전달 참고).

새로 불을 붙인 길리 케틀의 열화상 이미지. 대류 전류로 인해 발생하는 뜨거운 공기 기둥이 보인다.

대류 유동은 기름과 물의 다상 혼합물이 분리될 때와 같이 과도 상태일 수도 있고, 대류 세포와 같이 정상 상태일 수도 있다. 대류는 중력, 전자기 또는 겉보기힘으로 인해 발생할 수 있다. 자연 대류에 의한 열전달은 지구의 대기, 대양, 맨틀의 구조에서 중요한 역할을 한다. 대기 중의 개별적인 대류 세포는 구름을 통해 식별할 수 있으며, 대류가 강해지면 뇌우가 발생한다. 자연 대류는 항성 물리학에서도 중요한 역할을 한다. 대류는 종종 대류 유동을 일으키는 주요 효과에 따라 분류되거나 설명된다(예: 열 대류).

대류는 입자가 흐를 수 있는 부드러운 고체나 혼합물에서도 발생할 수 있다. 대부분의 고체에서는 벌크 전류가 흐를 수 없고 물질의 유의미한 확산도 일어날 수 없기 때문에 대류가 발생할 수 없다. 알갱이 대류는 유체 대신 알갱이 물질에서 나타나는 유사한 현상이다. 이류는 유체의 운동을 통해 물질이나 양(열 등)이 수송되는 것이다. 대류는 유체의 벌크 운동을 포함하는 과정으로, 대개 이류를 통해 순 열전달을 일으킨다. 대류열 전달은 열을 전달하는 방법으로서 대류를 의도적으로 사용하는 것이다.

역사

윌리엄 프라우트의 초상화

격자와 굴뚝이 있는 벽난로

1830년대에 발간된 《브리지워터 논문집》(The Bridgewater Treatises)에서 'convection'(대류)이라는 용어가 과학적 의미로 증명된다. 화학에 관한 제8권에서 윌리엄 프라우트는 다음과 같이 기술했다.

[...] 이러한 열의 운동은 세 가지 방식으로 일어나는데, 일반적인 벽난로가 이를 매우 잘 설명해 준다. 예를 들어, 불 바로 앞에 온도계를 놓으면 곧 온도가 오르기 시작하며 온도의 상승을 나타낸다. 이 경우 열은 복사라고 불리는 과정을 통해 불과 온도계 사이의 공간을 통과해 나간 것이다. 두 번째 온도계를 불의 직접적인 영향에서 벗어난 격자의 어느 부분에 접촉시켜 놓으면, 이 온도계 역시 온도가 상승함을 알 수 있다. 하지만 여기에서 열은 전도라고 불리는 과정을 통해 격자의 금속을 타고 이동했음이 틀림없다. 마지막으로, 불의 직접적인 영향에서 벗어난 굴뚝 안에 세 번째 온도계를 놓으면 이 역시 상당한 온도 상승을 나타낼 것이다. 이 경우 불을 통과하거나 그 근처를 지나는 공기의 일부가 가열되어 불로부터 얻은 온도를 굴뚝 위로 운반한 것이다. 현재 우리 언어(영어)에는 이러한 세 번째 열 전파 방식을 나타내는 단일 용어가 없으나, 우리는 그 목적으로 'convection'(대류, [각주: [라틴어] Convectio, 운반하거나 나르는 것])이라는 용어를 제안하고자 한다. 이 단어는 주요 사실을 표현할 뿐만 아니라 다른 두 용어와도 매우 잘 어울린다.

이후 같은 제8권의 기상학 관련 부분에서 대류의 개념은 "물을 통해 열이 전달되는 과정"에도 적용된다.

용어

오늘날 대류라는 단어는 과학이나 공학의 맥락 또는 응용 분야에 따라 서로 다르지만 연관된 용도로 사용된다.

유체역학에서 대류는 더 넓은 의미를 갖는다. 즉, 밀도(또는 다른 특성)의 차이에 의해 유도되는 유체의 운동을 의미한다.

열역학에서 대류는 종종 대류열 전달을 의미하며, 유체역학적 개념의 대류(이 문서에서 다루는 내용)와 대류열 전달을 구분하기 위해 '자연 대류'라는 수식어가 사용되기도 한다.

대류 세포와 표면적으로 유사한 효과를 나타내는 일부 현상도 (부정확하게) 대류의 한 형태로 불리기도 한다. 예를 들어 열 모세관 대류와 알갱이 대류가 있다.

메커니즘

대류는 몇 개의 원자보다 큰 모든 규모의 유체에서 발생할 수 있다. 대류에 필요한 힘이 발생하는 상황은 다양하며, 이에 따라 아래와 같이 여러 유형의 대류가 나타난다. 넓은 의미에서 대류는 중력과 같이 유체 내부에서 작용하는 겉보기힘으로 인해 발생한다.

자연 대류

레일리-베나르 세포

이 컬러 슐리렌 이미지는 사람의 손(실루엣)에서 주변 정지 대기로 전달되는 열전도에 의해 시작되는 열 대류를 보여준다. 초기에는 손에서 주변 공기로의 확산에 의해, 이후에는 열로 인해 공기가 위로 이동하기 시작하는 이류로서 나타난다.

자연 대류는 유체의 일부가 다른 부분보다 무거워짐으로써 발생하는 유동이다. 대부분의 경우 이는 자연 순환으로 이어진다. 즉, 시스템 내의 유체가 중력 하에서 열에너지를 전달하며 지속적으로 순환하는 능력을 의미한다.

자연 대류의 원동력은 중력이다. 유체 기둥에서 압력은 위에 있는 유체의 무게로 인해 깊이에 따라 증가한다. 침수된 물체의 아래쪽 압력은 위쪽 압력을 초과하게 되며, 이는 배제된 유체의 무게와 동일한 순 상향 부력을 발생시킨다. 배제된 유체보다 밀도가 높은 물체는 가라앉는다. 예를 들어, 따뜻하고 밀도가 낮은 공기 영역은 상승하고, 차갑고 밀도가 높은 공기 영역은 하강한다. 이것이 순환 유동인 대류를 만든다.

중력이 자연 대류를 주도한다. 중력이 없으면 대류가 발생하지 않으므로, 궤도를 도는 국제우주정거장과 같은 자유 낙하(관성) 환경에서는 대류가 일어나지 않는다. 공기나 물의 뜨거운 영역과 차가운 영역이 있을 때 자연 대류가 발생할 수 있는데, 이는 물과 공기 모두 가열되면 밀도가 낮아지기 때문이다. 하지만 예를 들어 대양에서는 담수보다 염수가 더 무겁기 때문에 발생하기도 하며, 담수 층 위의 염수 층도 대류를 일으킨다.

자연 대류는 자연계와 공학적 응용 분야 모두에서 나타나기 때문에 연구자들의 많은 관심을 받아왔다. 자연계에서는 햇빛에 가열된 지표면이나 수면 위로 상승하는 공기에 의해 형성된 대류 세포가 모든 기상 시스템의 주요 특징이다. 대류는 불에서 피어오르는 뜨거운 공기 기둥, 판 구조론, 해류(열염순환), 해풍 형성(상승 대류가 코리올리 효과에 의해 변형됨) 등에서도 볼 수 있다. 공학적 응용에서 대류는 용융 금속의 냉각 과정 중 미세 구조 형성, 차폐된 방열 핀 주변의 유체 유동, 태양열 연못 등에서 흔히 시각화된다. 자연 대류의 매우 흔한 산업적 응용은 팬의 도움 없는 자유 공기 냉각이다. 이는 작은 규모(컴퓨터 칩)에서 대규모 공정 장비에 이르기까지 일어날 수 있다.

자연 대류는 두 유체 사이의 밀도 차이가 클수록, 대류를 주도하는 중력 가속도가 클수록, 또는 대류 매체를 통과하는 거리가 길수록 더 잘 발생하고 더 빠르게 일어난다. 반면 확산이 빠를수록(대류를 일으키는 온도 구배를 확산시켜 없애기 때문) 또는 유체의 점성도가 높을수록 자연 대류는 잘 일어나지 않고 속도도 느려진다.

자연 대류의 시작은 레일리 수(Ra)에 의해 결정될 수 있다.

유체 내 부력의 차이는 온도 변화 이외의 이유로도 발생할 수 있는데, 이 경우의 유체 운동을 중력 대류라고 한다(아래 참고). 그러나 자연 대류를 포함한 모든 유형의 부력 대류는 미세중력 환경에서는 발생하지 않는다. 모두 G-포스(고유 가속도)를 경험하는 환경이 필요하다.

유체 내의 밀도 차이가 핵심적인 구동 메커니즘이다. 밀도 차이가 열에 의해 발생한다면 이 힘을 "열 수두"(thermal head) 또는 "열 구동 수두"라고 부른다. 자연 순환을 위해 설계된 유체 시스템은 열원과 히트 싱크를 갖춘다. 이들 각각은 시스템 내 유체의 일부와 접촉하지만 전부는 아니다. 열원은 히트 싱크보다 낮은 곳에 위치한다.

대부분의 유체는 가열되면 팽창하여 밀도가 낮아지고, 냉각되면 수축하여 밀도가 높아진다. 자연 순환 시스템의 열원에서 가열된 유체는 주변 유체보다 가벼워져 상승한다. 히트 싱크에서 근처의 유체는 냉각되면서 밀도가 높아져 중력에 의해 아래로 끌려 내려간다. 이러한 효과가 합쳐져 열원에서 히트 싱크로, 그리고 다시 돌아오는 유체의 흐름을 만든다.

중력 또는 부력 대류

중력 대류는 온도 이외의 물질 특성에서 비롯된 부력 변화에 의해 유도되는 자연 대류의 일종이다. 일반적으로 이는 유체의 가변적인 조성으로 인해 발생한다. 변화하는 특성이 농도 구배라면 이를 농도 대류(solutal convection)라고 한다. 예를 들어, 중력 대류는 염수 내 담수의 부력으로 인해 건조한 소금 원천이 젖은 토양 아래로 확산되는 현상에서 볼 수 있다.

해수에서의 가변적인 염분과 공기 덩어리에서의 가변적인 수분 함량은 열을 포함하지 않거나 열팽창에 따른 밀도 변화 외에 추가적인 조성적 밀도 요인을 포함하는 해양과 대기 대류의 빈번한 원인이다(열염순환 참고). 마찬가지로, 아직 최대의 안정성과 최소 에너지를 달성하지 못한(즉, 가장 밀도가 높은 부분이 가장 깊은 곳에 있지 않은) 지구 내부의 가변적인 조성은 지구 내부의 유체 암석과 용융 금속 대류의 일부를 계속해서 일으킨다(아래 참고).

중력 대류는 자연 열 대류와 마찬가지로 발생하기 위해 G-포스 환경이 필요하다.

얼음 내의 고체 상태 대류

명왕성의 얼음 대류는 질소 얼음과 일산화 탄소 얼음의 부드러운 혼합물에서 발생하는 것으로 믿어진다. 이는 또한 유로파 및 외계 행성계의 다른 천체들에서도 제안되었다.

자성 열 대류

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자성 열 대류는 가변적인 자기 감수율을 가진 자성 유체에 외부 자기장이 가해질 때 발생할 수 있다. 온도 구배가 존재할 때 이는 불균일한 자기적 겉보기힘을 발생시키며, 이는 유체의 운동으로 이어진다. 자성 유체는 자기장이 있을 때 강하게 자화되는 액체이다.

연소

무중력 환경에서는 부력이 존재할 수 없으므로 대류가 불가능하다. 따라서 중력이 없는 많은 상황에서 불꽃은 자신의 폐가스에 질식한다. 열팽창과 기체의 팽창 및 수축을 일으키는 화학 반응은 불꽃의 환기를 가능하게 한다. 불꽃 배출 수증기가 응축될 때 생성되는 저압 구역을 채우기 위해 차갑고 신선한 산소가 풍부한 기체가 이동하면서 폐가스를 밀어내기 때문이다.

예시 및 응용

자연 순환 시스템에는 토네이도와 기타 기상 시스템, 해류, 가정용 환기 등이 포함된다. 일부 태양열 온수기는 자연 순환을 이용한다. 멕시코 만류는 물의 증발 결과로 순환한다. 이 과정에서 물은 염분과 밀도가 증가한다. 북대서양에서 물은 매우 조밀해져 가라앉기 시작한다.

대류는 지구 대기, 대양, 행성의 맨틀에서 대규모로 발생하며, 태양과 모든 항성의 가장 바깥쪽 내부의 상당 부분에서 열전달 메커니즘을 제공한다. 대류 중의 유체 운동은 보이지 않을 정도로 느릴 수도 있고, 허리케인에서처럼 명확하고 빠를 수도 있다. 천문학적 규모에서 가스와 먼지의 대류는 블랙홀의 강착원반에서 빛의 속도에 가까운 속도로 발생하는 것으로 생각된다.

시연 실험

공기 덩어리의 열 순환

액체의 열 대류는 액체가 담긴 용기 측면에 열원(예: 분젠 버너)을 놓아 시연할 수 있다. 물에 염료(식용 색소 등)를 추가하면 유동을 시각화할 수 있다.

액체의 열 대류를 시연하는 또 다른 일반적인 실험은 염료로 색을 입힌 뜨거운 액체와 차가운 액체가 담긴 열린 용기를, 염료가 없고 중간 온도인 같은 액체가 담긴 큰 용기 안에 담그는 것이다(예를 들어, 빨간색으로 물들인 뜨거운 수돗물 병과 파란색으로 물들인 냉장고의 차가운 물 병을 실온의 물이 담긴 투명 수조에 넣는 것).

세 번째 방법은 동일한 두 개의 병을 사용하는 것인데, 하나는 한 가지 색으로 물들인 뜨거운 물로 채우고, 다른 하나는 다른 색의 차가운 물로 채운다. 한 병을 일시적으로(예: 카드 조각으로) 밀폐한 다음 뒤집어서 다른 병 위에 놓는다. 카드를 제거했을 때, 따뜻한 액체가 담긴 병이 위에 있으면 대류가 발생하지 않는다. 반면 차가운 액체가 담긴 병이 위에 있으면 대류 전류가 자발적으로 형성된다.

기체의 대류는 입구와 출구가 있는 밀폐된 공간에서 양초를 사용하여 시연할 수 있다. 양초의 열은 강한 대류 전류를 일으키며, 이는 입구와 출구 부근에서 다른 양초의 연기와 같은 유동 지시계를 방출하여 시연할 수 있다.

이중 확산 대류

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대류 세포

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중력장 내의 대류 세포

대류 세포(Convection cell) 또는 베나르 세포는 많은 대류 시스템에서 나타나는 특징적인 유체 유동 패턴이다. 상승하는 유체 덩어리는 일반적으로 더 차가운 표면을 만나기 때문에 열을 잃는다. 액체에서는 직접적인 교환을 통해 더 차가운 액체와 열을 교환하기 때문에 발생한다. 지구 대기의 예에서는 열을 방출하기 때문에 발생한다. 이러한 열 손실로 인해 유체는 여전히 상승 중인 아래쪽 유체보다 밀도가 높아진다. 상승하는 유체를 뚫고 내려갈 수 없으므로 한쪽으로 이동한다. 일정 거리에서 그 하향하는 힘이 아래의 상승하는 힘을 이겨내면 유체는 하강하기 시작한다. 하강하면서 다시 따뜻해지고 이 주기가 반복된다. 또한 전해질 조성의 차이로 인한 밀도 변화 때문에 대류 세포가 발생할 수도 있다.

대기 대류

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대기 순환

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지구의 전 지구적 순환에 대한 이상적인 묘사

대기 순환은 공기의 대규모 이동이며, 훨씬 더 느린(시차를 둔) 해양 순환 시스템과 함께 열에너지가 지구 표면에 분배되는 수단이다. 대기 순환의 대규모 구조는 해마다 다르지만, 기본적인 기후학적 구조는 상당히 일정하게 유지된다.

위도 방향의 순환은 단위 면적당 입사되는 태양 복사가 열 적도에서 가장 높고 위도가 높아질수록 감소하여 양극에서 최소치에 도달하기 때문에 발생한다. 이는 해들리 세포와 극소용돌이라는 두 개의 주요 대류 세포로 구성되는데, 해들리 세포는 구름 형성 과정에서 높은 고도의 수증기가 응축됨으로써 방출되는 잠열 에너지로 인해 더 강한 대류를 경험한다.

반면 경도 방향의 순환은 대양이 육지보다 비열용량이 더 크고(또한 열전도율도 높아 열이 표면 아래로 더 깊이 침투할 수 있음) 그에 따라 더 많은 열을 흡수하고 방출하지만, 온도 변화는 육지보다 적기 때문에 발생한다. 이로 인해 낮에는 물에 의해 냉각된 공기인 해풍이 육지로 불어오고, 밤에는 지면과의 접촉으로 냉각된 공기인 육풍이 바다로 나간다. 경도 방향의 순환은 워커 순환과 엘니뇨/남방 진동이라는 두 개의 세포로 구성된다.

기상

 구름, 뇌우 및 바람 문서를 참고하십시오.

푄 현상이 발생하는 방식

전 지구적인 대기 이동보다 더 국지적인 일부 현상들도 대류에 의한 것인데, 여기에는 바람과 강수 과정의 일부가 포함된다. 예를 들어, 푄 현상은 산맥의 바람이 불어가는 쪽에 나타나는 내리막 바람이다. 이는 바람이 불어오는 쪽 사면에서 습기의 대부분을 떨어뜨린 공기가 단열 가열됨으로써 발생한다. 습윤 공기와 건조 공기의 단열 기온 감률이 서로 다르기 때문에, 바람이 불어가는 쪽 사면의 공기는 바람이 불어오는 쪽 사면의 같은 높이보다 더 따뜻해진다.

열기둥(또는 서멀)은 지구 대기의 하층부에서 상승하는 공기의 수직 기둥이다. 열기둥은 태양 복사에 의한 지구 표면의 불균일한 가열로 생성된다. 태양이 지면을 데우고, 지면은 바로 위의 공기를 데운다. 따뜻해진 공기는 팽창하여 주변 공기 덩어리보다 밀도가 낮아지고 열 저압부를 형성한다. 가벼워진 공기 덩어리는 상승하며, 상승함에 따라 낮은 기압에서 팽창하여 냉각된다. 주변 공기와 온도가 같아질 때까지 상승을 계속한다. 열기둥과 관련하여 기둥 주변에는 하강 기류가 존재한다. 하강하는 외부 기류는 열기둥 꼭대기에서 밀려난 차가운 공기에 의해 발생한다. 대류에 의한 또 다른 기상 효과는 해륙풍이다.

뇌우의 일생 단계.

따뜻한 공기는 차가운 공기보다 밀도가 낮기 때문에 열기구와 비슷하게 차가운 공기 속에서 상승한다. 습기를 머금은 상대적으로 따뜻한 공기가 차가운 공기 속에서 상승하면서 구름이 형성된다. 습한 공기가 상승함에 따라 냉각되어 공기 덩어리 속의 수증기 일부가 응축된다. 습기가 응축될 때 잠열이라고 불리는 에너지를 방출하는데, 이는 상승하는 공기 덩어리가 주변 공기보다 덜 냉각되게 하여 구름의 상승을 지속시킨다. 대기에 충분한 불안정성이 존재하면 이 과정이 번개와 천둥을 동반하는 적란운을 형성할 만큼 충분히 길게 지속된다. 일반적으로 뇌우가 형성되기 위해서는 습기, 불안정한 기단, 그리고 상승력(열)의 세 가지 조건이 필요하다.

모든 뇌우는 유형에 관계없이 세 단계를 거친다. 바로 발달 단계, 성숙 단계, 소멸 단계이다. 평균적인 뇌우의 지름은 24 km (15 mi)이다. 대기 상태에 따라 이 세 단계를 거치는 데 평균 30분이 걸린다.

해양 순환

 이 부분의 본문은 멕시코 만류 및 열염순환입니다.

해류

태양 복사는 대양에 영향을 미친다. 적도의 따뜻한 물은 지리극을 향해 순환하는 경향이 있는 반면, 차가운 극지의 물은 적도를 향한다. 표면 해류는 초기에는 표면 바람 상태에 의해 결정된다. 무역풍은 열대 지방에서 서쪽으로 불고, 편서풍은 중위도에서 동쪽으로 분다. 이러한 바람 패턴은 북반구 전체에 걸쳐 음의 회전을 가진 아열대 해수면에 응력을 가하며, 남반구에서는 그 반대이다. 그 결과로 발생하는 스베르드룹 수송은 적도 방향이다. 아열대 고압대의 서쪽 주변부에서 극 방향으로 이동하는 바람에 의한 잠재 소용돌이도의 보존과 극 방향 이동 해수의 상대 소용돌이도 증가 때문에, 수송은 해양 분지의 서쪽 경계를 따라 흐르는 좁고 가속되는 극 방향 해류에 의해 균형을 이루며, 이는 고위도에서 발원하는 차가운 서안 경계류와의 마찰 효과를 압도한다. 서안 강화로 알려진 이 전체 과정은 해양 분지의 서쪽 경계 해류가 동쪽 경계 해류보다 강하게 만든다.

따뜻한 물은 극 방향으로 이동하면서 강한 난류에 의해 운반되며 증발 냉각을 겪는다. 냉각은 바람에 의해 주도된다. 물 위를 흐르는 바람은 물을 식히고 증발을 일으켜 더 짠 염수를 남긴다. 이 과정에서 물은 더 짜고 조밀해지며 온도가 낮아진다. 해빙이 형성되면 얼음에서 소금이 빠져나가는데, 이를 염분 배출(brine exclusion) 과정이라 한다. 이 두 과정은 더 조밀하고 차가운 물을 생성한다. 북대서양의 물은 매우 조밀해져 덜 짜고 덜 조밀한 물을 뚫고 가라앉기 시작한다. (이 개방해 대류는 용암등의 원리와 다르지 않다.) 이 무겁고 차갑고 조밀한 물의 하강 기류는 남쪽으로 흐르는 기류인 북대서양 심층수의 일부가 된다.

맨틀 대류

 이 부분의 본문은 맨틀 대류설입니다.

해양판은 용승(왼쪽)에 의해 추가되고 섭입대(오른쪽)에서 소멸된다.

맨틀 대류는 지구 내부에서 표면으로 열을 운반하는 대류 전류에 의해 발생하는 지구의 암석 맨틀의 느린 포복 운동이다. 이는 테토닉 판이 지구 표면을 돌아다니게 하는 3가지 구동력 중 하나이다.

지구 표면은 반대편 판 경계에서 지속적으로 생성되고 소멸되는 여러 판으로 나뉘어 있다. 생성(첨가)은 판의 성장하는 가장자리에 맨틀이 추가되면서 일어난다. 이 뜨거운 추가 물질은 열의 전도와 대류에 의해 냉각된다. 판의 소멸 가장자리에서 물질은 열적으로 수축하여 조밀해졌으며, 해구에서의 섭입 과정에서 자신의 무게로 인해 가라앉는다. 이 섭입된 물질은 지구 내부의 일정 깊이까지 가라앉으며 그 이상 가라앉는 것이 금지된다. 섭입된 해양 지각은 화산 활동을 유발한다.

맨틀 내의 대류는 판 구조론의 구동력이다. 맨틀 대류는 온도 구배의 결과이다. 하부 맨틀은 상부 맨틀보다 뜨겁고 따라서 밀도가 낮다. 이는 두 가지 주요 유형의 불안정성을 설정한다. 첫 번째 유형에서는 하부 맨틀에서 플룸이 상승하고, 그에 대응하는 불안정한 암석권 영역이 맨틀로 다시 떨어진다. 두 번째 유형에서는 (대체로 맨틀의 상부 열 경계층을 구성하는) 섭입하는 해양판이 맨틀로 다시 뛰어들어 핵-맨틀 경계로 이동한다. 맨틀 대류는 연간 수 센티미터의 속도로 발생하며, 대류의 한 주기를 완료하는 데 수억 년 정도가 걸린다.

지구 핵에서의 중성미자 선속 측정(kamLAND 참고)에 따르면 내핵 열의 약 3분의 2는 ⁴⁰K, 우라늄, 토륨의 방사성 붕괴에서 기인한다. 덕분에 지구의 판 구조론은 지구 형성 시 남은 열이나 지구 내부의 더 밀도가 높은 부분들이 행성 중심을 향해 물리적으로 재배치된 결과(중력 위치 에너지로 생성된 열)만으로 움직였을 때보다 훨씬 더 오래 지속될 수 있었다.

굴뚝 효과

 이 부분의 본문은 굴뚝 효과입니다.

굴뚝 효과 또는 스택 효과는 부력으로 인해 건물, 굴뚝, 배기가스 스택 또는 기타 용기 안팎으로 공기가 이동하는 현상이다. 부력은 온도와 습도 차이로 인해 발생하는 실내외 공기 밀도 차이 때문에 발생한다. 열 차이와 구조물의 높이가 클수록 부력은 커지며 따라서 굴뚝 효과도 커진다. 굴뚝 효과는 자연 환기와 침투를 돕는다. 일부 냉각탑은 이 원리로 작동하며, 마찬가지로 태양열 상승기류 타워(solar updraft tower)는 굴뚝 효과를 기반으로 전기를 생산하기 위해 제안된 장치이다.

항성 물리학

 이 부분의 본문은 대류층입니다.

태양과 적색거성의 구조를 나타낸 삽화로 대류층을 보여준다. 이들은 이 항성들의 바깥층에 있는 알갱이 영역이다.

항성의 대류층은 에너지가 복사보다는 주로 대류에 의해 핵 영역에서 바깥쪽으로 운반되는 반경 범위이다. 이는 복사보다 대류가 에너지를 전달하는 데 더 효율적일 만큼 충분히 불투명한 반경에서 발생한다.

태양 광구의 쌀알무늬(granule)는 광구에서의 플라스마 대류에 의해 발생하는, 광구 내 대류 세포의 가시적인 꼭대기 부분이다. 쌀알무늬의 상승하는 부분은 플라스마가 더 뜨거운 중앙에 위치한다. 쌀알무늬의 바깥쪽 가장자리는 하강하는 더 차가운 플라스마 때문에 더 어둡다. 일반적인 쌀알무늬는 지름이 약 1,000킬로미터이며 소멸되기 전까지 각각 8~20분 동안 지속된다. 광구 아래에는 지름이 최대 30,000킬로미터에 달하고 수명이 최대 24시간인 훨씬 더 큰 "슈퍼 쌀알무늬" 층이 있다.

빙점 온도에서의 물의 대류

물은 부시네스크 근사를 따르지 않는 유체이다. 이는 물의 밀도가 온도에 따라 비선형적으로 변하기 때문이며, 이로 인해 빙점 근처에서 열팽창 계수가 일정하지 않게 된다. 물의 밀도는 4 °C에서 최대에 도달하며 온도가 이에서 벗어남에 따라 감소한다. 이 현상은 실험과 수치적 방법으로 연구된다. 물은 처음에 정사각형 공동 내에서 10 °C로 정지해 있다. 왼쪽 벽과 오른쪽 벽이 각각 10 °C와 0 °C로 유지되어 두 수직 벽 사이에서 차등적으로 가열된다. 밀도 이상은 그 유동 패턴에서 나타난다. 오른쪽 벽에서 물이 냉각됨에 따라 밀도가 증가하여 아래쪽으로의 흐름을 가속화한다. 유동이 발달하고 물이 더 냉각됨에 따라, 밀도 감소는 공동의 오른쪽 하단 모서리에서 재순환 전류를 일으킨다.

이 현상의 또 다른 사례는 과냉각 현상으로, 물이 빙점 이하로 냉각되지만 즉시 얼기 시작하지 않는 경우이다. 이전과 동일한 조건에서 유동이 발달한다. 그 후 오른쪽 벽의 온도를 -10 °C로 낮춘다. 이로 인해 그 벽의 물은 과냉각되어 시계 반대 방향 유동을 만들고 처음에는 따뜻한 기류를 압도한다. 이 플룸은 얼음의 핵 형성이 지연되어 발생한다. 일단 얼음이 형성되기 시작하면 유동은 이전과 유사한 패턴으로 돌아가고 응고는 유동이 다시 발달할 때까지 점진적으로 전파된다.

원자로

원자로에서 자연 순환은 설계 기준이 될 수 있다. 이는 유체 유동에서의 난류와 마찰을 줄이고(즉, 수두 손실 최소화), 작동하지 않는 펌프를 유체 경로에서 제거하는 방법을 제공함으로써 달성된다. 또한 (열원으로서의) 원자로는 증기 발생기나 터빈(히트 싱크)보다 물리적으로 낮은 곳에 위치해야 한다. 이렇게 하면 원자로가 히트 싱크보다 뜨거운 한, 펌프에 전력을 공급할 수 없는 경우에도 자연 순환을 통해 유체가 계속 흐르도록 보장할 수 있다. 주목할 만한 예로는 S5G 및 S8G 미국 해군 원자로가 있는데, 이들은 자연 순환 하에서 최대 출력의 상당 부분으로 작동하도록 설계되어 추진 장치를 조용하게 만들었다. S6G 원자로는 자연 순환 하에서 출력 운전은 불가능하지만, 정지 상태에서 비상 냉각을 유지하는 데 사용할 수 있다.

자연 순환의 특성상 유체는 일반적으로 매우 빠르게 움직이지 않지만, 안전하고 효과적인 원자로 작동에 높은 유량이 필수적인 것은 아니므로 이것이 반드시 나쁜 것은 아니다. 현대 설계의 원자로에서 유동 역전은 거의 불가능하다. 자연 순환을 주요 유체 순환 방법으로 사용하도록 설계된 원자로라 할지라도, 자연 순환이 충분하지 않을 경우를 대비해 유체를 순환시킬 수 있는 펌프를 갖추고 있다.

대류의 수학적 모델

대류를 설명하고 예측하기 위해 아르키메데스 수, 그라스호프 수, 리처드슨 수, 레일리 수를 포함한 여러 무차원 용어들이 도출되었다.

혼합 대류(자연 대류와 강제 대류가 함께 발생하는 경우)의 경우, 대류의 어느 정도가 펌프의 유체 속도와 같은 외부 제약 조건에 의한 것이고, 어느 정도가 시스템에서 발생하는 자연 대류에 의한 것인지 알고자 하는 경우가 많다.

그라스호프 수와 레이놀즈 수 제곱의 상대적 크기에 의해 어떤 형태의 대류가 지배적인지가 결정된다. 만약 ${\rm {Gr/Re^{2}\gg 1}}$이면 강제 대류를 무시할 수 있고, 반대로 ${\rm {Gr/Re^{2}\ll 1}}$이면 자연 대류를 무시할 수 있다. 리처드슨 수로 알려진 이 비율이 약 1이라면 강제 대류와 자연 대류를 모두 고려해야 한다.

시작

 열전달 문서를 참고하십시오.

자연 대류의 시작은 레일리 수(Ra)에 의해 결정된다. 이 무차원 수는 다음과 같이 주어진다.

${\textbf {Ra}}={\frac {\Delta \rho gL^{3}}{D\mu }}$

여기서

• $\Delta \rho$는 혼합되는 두 물질 덩어리 사이의 밀도 차이이다.
• $g$는 국부 중력 가속도이다.
• $L$은 대류의 특징적인 길이 척도이다(예: 끓는 냄비의 깊이).
• $D$는 대류를 일으키는 특성의 확산도이며,
• $\mu$는 동점성도이다.

자연 대류는 두 유체 사이의 밀도 차이가 클수록, 대류를 주도하는 중력 가속도가 클수록, 그리고/또는 대류 매체를 통과하는 거리가 길수록 더 잘 발생하거나 더 빠르게 일어난다. 반면 확산이 빠를수록(대류를 일으키는 구배를 확산시켜 없애기 때문) 그리고/또는 유체의 점성도가 높을수록 대류는 잘 일어나지 않거나 속도가 느려진다.

위에서 설명한 끓는 냄비와 같이 아래에서 가열되어 발생하는 열 대류의 경우, 방정식은 열팽창과 열확산도에 맞게 수정된다. 열팽창에 의한 밀도 변화는 다음과 같이 주어진다.

$\Delta \rho =\rho _{0}\beta \Delta T$

여기서

• $\rho _{0}$는 기준 밀도이며, 일반적으로 매체의 평균 밀도로 정한다.
• $\beta$는 열팽창 계수이며,
• $\Delta T$는 매체 전반의 온도 차이이다.

일반 확산도 $D$는 열확산도 $\alpha$로 재정의된다.

$D=\alpha$

이러한 대입을 통해 열 대류를 예측하는 데 사용할 수 있는 레일리 수가 생성된다.

${\textbf {Ra}}={\frac {\rho _{0}g\beta \Delta TL^{3}}{\alpha \mu }}$

난류

특정 자연 대류 시스템이 난류로 향하는 경향은 그라스호프 수(Gr)에 달려 있다.

$Gr={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu ^{2}}}$

점성이 매우 높은 유체(큰 ν)에서는 유체 운동이 제한되어 자연 대류가 난류가 되지 않는다.

이전 소절의 논의를 따르면, 일반적인 유체 속도는 시스템의 기하학적 구조에 따른 수치적 요인을 제외하면 $g\Delta \rho L^{2}/\mu$의 차수이다. 따라서 그라스호프 수는 레이놀즈 수의 공식에서 속도를 자연 대류의 속도로 대체한 레이놀즈 수로 생각할 수 있다. 그러나 실제로는 레이놀즈 수를 언급할 때 강제 대류를 고려하는 것으로 이해되며, 속도는 외부 제약 조건에 의해 결정된 속도로 간주된다(아래 참고).

거동

그라스호프 수는 종종 열-농도 대류(thermo-solutal convection)라 불리는 농도 구배에 의해 발생하는 자연 대류에 대해서도 공식화될 수 있다. 이 경우 뜨거운 유체의 농도가 차가운 유체로 확산되는데, 이는 물이 담긴 용기에 잉크를 부으면 전체 공간을 물들이며 확산되는 방식과 거의 같다. 그러면:

$Gr={\frac {g\beta \Delta CL^{3}}{\nu ^{2}}}$

자연 대류는 뜨거운 표면의 기하학적 구조에 크게 좌우되며, 열전달 계수를 결정하기 위해 다양한 상관관계가 존재한다. 다양한 기하학적 구조에 적용되는 일반적인 상관관계는 다음과 같다.

$Nu=\left[Nu_{0}^{\frac {1}{2}}+Ra^{\frac {1}{6}}\left({\frac {f_{4}\left(Pr\right)}{300}}\right)^{\frac {1}{6}}\right]^{2}$

f₄(Pr)의 값은 다음 공식을 사용하여 계산된다.

$f_{4}(Pr)=\left[1+\left({\frac {0.5}{Pr}}\right)^{\frac {9}{16}}\right]^{\frac {-16}{9}}$

Nu는 누셀트 수이며 Re를 계산하는 데 사용되는 Nu₀ 값과 특성 길이는 아래에 나열되어 있다.

기하 구조	특성 길이	Nu0
경사면	x (평면을 따른 거리)	0.68
경사 디스크	9D/11 (D = 지름)	0.56
수직 원통	x (원통의 높이)	0.68
원뿔	4x/5 (x = 경사면을 따른 거리)	0.54
수평 원통	$\pi D/2$ (D = 원통 지름)	0.36$\pi$

경고: 수평 원통에 대해 표시된 값은 틀렸습니다. 토론을 참고하십시오.

수직 판에서의 자연 대류

자연 대류의 한 예는 유체에 담긴 등온 수직 판에서의 열전달로, 유체가 판과 평행하게 움직이게 하는 것이다. 이는 움직이는 유체의 밀도가 위치에 따라 변하는 모든 시스템에서 발생한다. 이러한 현상은 움직이는 유체가 강제 대류에 의해 최소한으로 영향을 받을 때만 유의미하다.

가열의 결과로 유체가 흐르는 것을 고려할 때, 유체가 이상적인 이원자 기체이고 일정한 온도의 수직 판에 인접해 있으며 유체의 흐름이 완전히 층류라고 가정하면 다음과 같은 상관관계를 사용할 수 있다.

Nu_m = 0.478(Gr^0.25)

평균 누셀트 수 = Nu_m = h_mL/k

여기서

• h_m = 판의 하단 모서리와 거리 L 사이의 임의의 점 사이에 적용 가능한 평균 계수 (W/m². K)
• L = 수직 표면의 높이 (m)
• k = 열전도율 (W/m. K)

그라스호프 수 = Gr = $[gL^{3}(t_{s}-t_{\infty })]/v^{2}T$

여기서

• g = 중력 가속도 (m/s²)
• L = 하단 모서리 위의 거리 (m)
• t_s = 벽의 온도 (K)
• t∞ = 열 경계층 외부의 유체 온도 (K)
• v = 유체의 동점성도 (m²/s)
• T = 절대 온도 (K)

흐름이 난류일 때는 그라스호프 수와 프란틀 수의 함수인 레일리 수를 포함하는 다른 상관관계를 사용해야 한다.

위의 방정식은 그라스호프 수의 일반적인 식과 다른데, 이는 $\beta$ 값이 이상 기체에만 적용되는 근사치인 $1/T$로 대체되었기 때문이다(주변 압력의 공기에 대한 합리적인 근사치이다).

패턴 형성

레일리-베나르 대류 하의 유체: 왼쪽 그림은 열장을 나타내고 오른쪽 그림은 그 2차원 푸리에 변환을 나타낸다.

대류, 특히 대류 유체가 두 개의 단단한 수평 판에 갇혀 있는 레일리-베나르 대류는 패턴 형성 시스템의 편리한 예이다.

한 방향(보통 아래쪽)에서 시스템으로 열이 공급될 때, 작은 값에서는 유체 흐름을 일으키지 않고 단순히 아래에서 위로 확산(전도)된다. 열 유량이 증가하여 레일리 수의 임계값을 넘어서면 시스템은 안정적인 전도 상태에서 대류 상태로 분기를 겪으며, 열에 의한 유체의 벌크 운동이 시작된다. 밀도 이외의 유체 매개변수가 온도에 크게 의존하지 않는다면, 유동 프로파일은 대칭이며 같은 양의 유체가 상승하고 하강한다. 이를 부시네스크 대류라고 한다.

유체 상단과 하단의 온도 차이가 더 커지면, 온도 때문에 밀도 이외의 유체 매개변수에서도 유의미한 차이가 발생할 수 있다. 그러한 매개변수의 예로 점성도가 있는데, 이는 유체 층을 가로질러 수평으로 크게 변하기 시작할 수 있다. 이는 시스템의 대칭을 깨뜨리고, 일반적으로 상승 및 하강하는 유체의 패턴을 그림에서 보이는 것과 같이 줄무늬에서 육각형으로 변화시킨다. 그러한 육각형은 대류 세포의 한 예이다.

레일리 수가 대류 세포가 처음 나타나는 값보다 훨씬 더 증가함에 따라 시스템은 다른 분기를 겪을 수 있으며, 나선과 같은 다른 복잡한 패턴이 나타나기 시작할 수 있다.

같이 보기

• 유체동역학
• 열교환기
• 전열
• 보텍스 튜브

외부 링크

• 위키미디어 공용에 대류 관련 미디어 분류가 있습니다.