공학 재료의 열전도율 표
열전도(Thermal Conductivity)?
열전도(熱傳導)는 열이 고온 부분에서 저온 부분으로, 중간 물질을 통해서 이동하는 것을 말합니다.
열전도율은 열이 한쪽에서 다른 한쪽으로 전달되는 정도의 차이를 말합니다. 열전도율의 역수는 열저항이라고 합니다. 열전도율은 텐서로 나타내는데, 이것은 열이 전달될 때 각 방향으로 전달되는 열의 크기가 다르다는 것을 의미합니다.
열전도율은 열선법, 열유속법, 열평판법으로 구분되며 재료의 열전달 능력을 정확이 측정하기 위해 각각의 측정법이 개발되었습니다.
열전도율의 단위는 시간당 열전달량인 Watt입니다.
금속의 열전도율 표
금속의 열전도율을 높은 순서대로 나타내면, 은 > 구리 > 금 > 알루미늄 > 텅스텐 > 황동 > 니켈 > 철 > 백금 > 청동 > 탄소강 > 주철 순입니다.
금속의 열전도율 표
대기압(1atm, = 1013.25hPa) 기준
| 물질 | 온도 [℃] | 밀도 [g / cm3] | 비열 [J / kg ℃] | 열전도율 [W / m K] | 선팽창 계수 [× 10-6/ ℃] | 융점 [℃] |
| 아연 | 20 | 7.13 | 383 | 113 | 39.7 | 419.46 |
| 알루미늄 | 20 | 2.7 | 900 | 204 | 23.9 | 660.2 |
| 100 | 942 | 206 | ||||
| 300 | 1040 | 230 | ||||
| 두랄루민 | 20 | 2.79 | 840 | 164 | 27.3 | 645 |
| 안티몬 | 20 | 6.62 | 205 | 19 | 10 | 630.5 |
| 카드뮴 | 20 | 8.65 | 230 | 93 | 29.8 | 320.9 |
| 금 | 20 | 19.32 | 130 | 295 | 14.2 | 1063 |
| 실버 | 20 | 10.49 | 234 | 418 | 19.7 | 960 |
| 주석 | 20 | 7.29 | 226 | 64 | 23 | 231.9 |
| 비스무트 | 20 | 9.8 | 142 | 8 | 13.3 | 271.3 |
| 텅스텐 | 20 | 19.3 | 134 | 198 | 4.3 | 3410 |
| 티타늄 | 20 | 4.54 | 528 | 17 | 8.5 | 1675 |
| 순철 | 20 | 7.87 | 461 | 67 | 11.7 | 1539 |
| 무쇠 | 20 | 7.28 | 461 | 48 | 10.5 | 1200 |
| 탄소강 (0.5C 이하) | 20 | 7.83 | 461 | 53 | 12.18 | |
| 탄소강 (1C) | 20 | 7.8 | 461 | 45 | 10.5 | |
| 탄소강 (1.5C) | 20 | 7.75 | 461 | 36 | 10.1 | |
| 크롬 강철 (1Cr) | 20 | 7.87 | 461 | 60 | 11.3 | |
| 크롬 강철 (2Cr) | 20 | 7.87 | 461 | 52 | ||
| 크롬 강철 (5Cr) | 20 | 7.83 | 461 | 38 | ||
| 크롬 강철 (10Cr) | 20 | 7.79 | 461 | 31 | 10.19 | 1490 |
| 크롬 강철 (23Cr) | 20 | 7.68 | 461 | 22 | 9.5 | 1470 |
| 니켈강 (10Ni) | 20 | 7.95 | 461 | 26 | ||
| 니켈강 (20Ni) | 20 | 7.99 | 461 | 19 | 18 | |
| 니켈강 (30Ni) | 20 | 8.07 | 461 | 12 | ||
| 니켈강 (40Ni) | 20 | 8.17 | 461 | 10 | ||
| 니켈강 (50Ni) | 20 | 8.27 | 461 | 14 | ||
| 크롬 니켈 강철 18Cr 8Ni | 20 | 7.82 | 502 | 16 | 16.7 | 1410 |
| 크롬 니켈 강철 20Cr 15Ni | 20 | 7.85 | 470 | 15 | ||
| 크롬 니켈 강철 25Cr 20Ni | 20 | 7.86 | 463 | 13 | 14.4 | 1400 |
| 니켈 크롬 합금 40Ni 15CrNi | 20 | 8.07 | 461 | 12 | 12.2 | |
| 니켈 크롬 합금 80Ni 15CrNi | 20 | 8.52 | 461 | 17 | 13 | 1400 |
| 실리콘 스틸 1Si | 20 | 7.77 | 461 | 42 | 13 | 1480 |
| 실리콘 스틸 2Si | 20 | 7.67 | 461 | 31 | 13 | |
| 실리콘 스틸 5Si | 20 | 7.42 | 461 | 19 | 13 | |
| 텅스텐 강철 1W | 20 | 7.88 | 448 | 66 | ||
| 텅스텐 강철 2W | 20 | 7.96 | 444 | 63 | ||
| 텅스텐 강철 5W | 20 | 8.07 | 435 | 53 | ||
| 망간강 1Mn | 20 | 7.87 | 461 | 53 | ||
| 망간강 2Mn | 20 | 7.85 | 461 | 38 | 15.8 | |
| 망간 강철 10Mn | 20 | 7.81 | 461 | 17 | 18.4 | 1340 |
| 순동 | 20 | 8.96 | 385 | 386 | 16.5 | 1083 |
| 100 | 8.96 | 398 | 377 | 16.8 | ||
| 300 | 8.96 | 414 | 366 | 17.8 | ||
| 구리 (일반 상품) | 20 | 8.9 | 419 | 372 | 17.7 | 1083 |
| 알루미늄 청동 5Al | 20 | 8.67 | 410 | 83 | 16.5 | 1050 |
| 포금 10Sn 2Zn | 20 | 381 | 48 | 18 | 1000 | |
| 황동 (빨강) 9Sn 6Zn | 20 | 8.71 | 385 | 60 | 18.18 | 1050 |
| 1973 황동 30Zn | 20 | 8.56 | 385 | 99 | 16.29 | 1205 |
| 네바루 고급 장교 39.25Zn 0.75Sn | 20 | 8.41 | 377 | 117 | 21.2 | 900 |
| 만가닌 12Mn 4Ni | 20 | 8.15 | 1720 | 22 | 960 | |
| 양은 15Ni 22Zn | 20 | 8.62 | 394 | 29 | ||
| 콘스탄틴 40Ni | 20 | 8.92 | 410 | 23 | 14.9 | 1290 |
| 나트륨 | 20 | 0.97 | 1240 | 134 | 71 | 98 |
| 납 | 20 | 11.34 | 130 | 35 | 29.3 | 327.4 |
| 200 | 138 | 31 | ||||
| 납땜 (50Sn) | 20 | 9.0 | 176 | 49 | 210 | |
| 니켈 99.9 % | 20 | 8.9 | 440 | 90 | 13.3 | 1455 |
| 니켈 99.2 % | 20 | 8.9 | 440 | 59 | 13.3 | 1446 |
| 알루멜 2Al 2Mg 1Si | 100 | 8.15 | 29.7 | |||
| 크로 멜 A 80Ni 20Cr | 100 | 8.3 | 444 | 13.8 | 17.6 | |
| 모네루메타루 | 20 | 8.8 | 532 | 26 | 12.2 | 1325 |
| 백금 | 0 | 21.45 | 134 | 70 | 8.9 | 1773.5 |
| 백금 – 이리듐 90Pt 10Ir | 0 | 21.62 | 30.8 | 8.89 | ||
| 마그네슘 | 20 | 1.74 | 1030 | 159 | 26 | 650 |
| 몰리브덴 | 20 | 10.2 | 255 | 147 | 4.9 | 2625 |
| 우라늄 | 20 | 18.7 | 117 | 29 | 13.2 | 1130 |
| 플루토늄 | 20 | 19.8 | 134 | 50.3 | 632 | |
| 토륨 | 20 | 11.6 | 142 | 38 | 11.1 | 1695 |
| 지르코늄 | 20 | 6.5 | 301 | 14.4 | 5.94 | 1845 |
| 탄소 | 20 | 2.2 | 691 | 23.9 | 0.6 ~ 4.3 | 3700 |
| 붕소 | 20 | 2.33 | 1290 | 8.3 | 2300 | |
| 베릴륨 | 20 | 18.477 | 2180 | 159.1 | 12.4 | 1280 |
| 인듐 | 20 | 7.3 | 239 | 23.86 | 33 | 156.4 |
| 니오브 | 20 | 8.66 | 272 | 58 | 7.1 | 1455 |
| 크롬 | 20 | 7.1 | 419 | 66.9 | 6.2 | 1890 |
| 코발트 | 20 | 8.8 | 431 | 70 | 12.3 | 1467 |
| 게르마늄 | 0 | 5.36 | 306 | 958 | ||
| 이리듐 | 20 | 22.41 | 134 | 59 | 6.5 | 2290 |
| 망간 | 0 | 7.39 | 510 | 22 | 1240 | |
| 팔라듐 | 20 | 11.4 | 247 | 70 | 11.8 | 1555 |
| 칼륨 | 0 | 0.862 | 723 | 99.2 | 83 | 62.5 |
| 셀레늄 | 20 | 4.81 | 352 | 13.3 | 220 | |
| 실리콘 | 20 | 2.33 | 678 | 83.7 | 2.8 ~ 7.3 | 1430 |
| 칼슘 | 20 | 1.55 | 624 | 106 | 25 | 850 |
| 카드뮴 | 20 | 8.65 | 229 | 93 | 0.168 | 320.9 |
열전도율은 물질이 전도에 의해 열을 얼마나 잘 전달하는지를 나타내는 값입니다. 일반적으로 금속은 열전도성이 좋습니다. 금속 내부에 자유 전자가 있기 때문입니다.
열전도율은 막대의 길이 1 cm 사이에서 온도가 1 ℃ 변할 때, 막대의 단면적 1 cm2당 1 초 동안에 몇 칼로리의 열이 흐르는가를 나타냅니다.
금속이 열전도도가 높은 이유
금속은 비금속이나 다른 고체에 비해 열전도도가 큽니다. 금속이 열을 잘 전달하는 이유는 아래와 같습니다.
- 금속 내부에 자유 전자가 있기 때문입니다.
- 금속을 이루는 원자들이 결정격자를 이루고 있어서 격자진동을 통해서 열이 전도되기 때문입니다.
금속의 열전도율은 기준온도에 따라 다릅니다. 예를 들어, 아연의 열전도율은 113 W/m K, 알루미늄의 열전도율은 204 W/m K입니다.
금속 열전도율 특성
금속은 열전도율이 높아 열을 잘 전달하는 특성을 가지고 있습니다. 금속 내부에는 자유전자가 있어 전기뿐만 아니라 열도 빠르게 운반하기 때문입니다.
열전도율은 물질의 구성, 온도, 압력 등에 따라 다양하게 변할 수 있습니다. 열전도율이 높은 물질은 열 전달 능력이 뛰어나기 때문에 열을 효과적으로 전달하는 데 유리합니다. 예를 들어, 금속은 열전도율이 높기 때문에 열이 잘 전달되어 요리도구나 열교환기 등에 널리 사용될 수 있습니다.
반면, 도자기나 플라스틱 등에는 이러한 자유전자가 없어 열이 내부의 원자들의 진동 등에 의해 주로 전달되기 때문에 금속에 비해 일반적으로 열전도율이 낮습니다.
열전도율 장단점
열전도율의 장단점은 다음과 같습니다.
- 장점: 열 발산이 필요한 응용 분야에서 자주 사용됩니다.
- 단점: 단열이 필요한 응용 분야에 적합합니다.
- 열전도도: 온도에 따라 달라질 수 있습니다.
- 열전도도의 역수: 열저항도(thermal resistivity)입니다.
열전도율은 분자의 진동으로 인한 운동에너지와 자유 전자에 의한 에너지 이동으로 정의됩니다. 열전도율이 클수록 열이 잘 전달되는 물질을 의미합니다.
열전도율은 고체 > 액체 > 기체 순으로 표현됩니다. 상대적으로 조밀도가 높은 다이아몬드, 알루미늄, 구리 등에서 매우 높은 열전도율을 가지는 특징이 있습니다.
마무리
오늘은 금속의 열전도(Thermal Conductivity), 열전도율표에 대해 알아보았습니다.
금속의 열전도율 특성에 대한 연구를 종합해보면, 금속의 열전도율은 그것을 구성하는 원자의 배열, 결합의 종류, 그리고 전자의 이동성에 깊이 의존함을 알 수 있습니다.
금속 내 자유 전자의 존재는 열과 전기를 효율적으로 전달하는 주요 매개체 역할을 하며, 이는 금속이 다른 재료에 비해 뛰어난 열전도성을 가지는 이유 중 하나입니다.
온도, 압력, 합금의 형태와 같은 외부 조건이 금속의 열전도율에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 특히, 순수 금속보다는 합금이 열전도율이 낮은 경향이 있으며, 이는 합금을 구성하는 다양한 원소 간의 상호작용 때문입니다.