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  역적 현상
  글쓴이 : 16학번입니…   고유ID : lion146000     날짜 : 23-04-07 15:20     조회 : 211    
안녕하세요. 화학공학과 재학중인 학생입니다.
공부하다가 우연히 궁금한 사항이 생겨 질문드립니다.
차가운 유체 있는 탱크에 뜨거운 유체를 넣었을 때(혹은 그 반대) 차가운 유체가 위로 올라가고 뜨거운 유체가 아래로 내려가는 역적 현상이 발생하는 것으로 알고 있습니다. 이 현상에 대해 좀 더 자세히 알고 싶어서요.
1. 보통 유체의 혼합은 확산과 대류에 의해 발생하는 걸로 알고 있는데
  1. 확산과 대류 중 더 우위에 있는(상대적으로 더 빨리 발생해 지배적인) 현상이 무엇인가요?
  2. 확산과 대류 이외에 역적에 영향을 미치는 추가적인 원인이 있을까요?
2. 그렇다면 반대로, 차가운 유체와 뜨거운 유체를 혼합했을 때 역적 현상이 발생하지 않는 경우가 언제인지 궁금합니다. 제가 공부한 사항들을 먼저 적어보자면,
  1. 유체의 밀도가 거의 같은 경우
  2. 두 유체의 혼합으로 인한 온도 변화가 무시할 수 있는 경우
    --> 이 경우에는 대류가 아닌 확산만 발생하는지 궁금합니다.
  3. 유체의 점성이 큰 경우
    --> 이에 대해 점성이 크면 역적 현상이 왜 발생하지 않는지 궁금합니다.
  4. 유체의 표면장력이 큰 경우
    --> 표면 장력이 커지면 왜 역적 현상이 발생하지 않는지 궁금합니다.
이렇게 쓰다보니 질문이 많이졌네요.. 항상 감사드리면서 답변 기다리겠습니다.

스테파노 Stefano   23-04-08 00:47
(0) 필자는 "역적 현상"이라는 용어를 처음으로 접합니다.    우선 이를 한자로 적어보거나  영자용어로 먼저 설명해 주세요.  우선 용어에 대해 설명하겠습니다.

(1) 대류(對流 Convection)는 유체(기체 또는 액체) 내에서 온도차에 기인한 밀도의 차로 인하여 저밀도 분자가 시스템내에서 상부로 올라가고 반대로 차겁고 밀도가 큰 분자가 아래로 내려오는 현상을 말합니다. 

단일 성분의 물질이거나 균일하게 혼합물 물질이라고 해도 국부적으로 유체의 온도가 높아지면 대류현상이 일어납니다.  對流라는 단어가 의미를 부여하고 있듯이 작은 밀도의 분자가 상부로 올라가면 빈 공간 자리에 큰 밀도의 분자가 몰려오기 때문에 흐름방향이 "反對" 방향이라서 이런 용어를 썼을 것입니다. 

대류는 뜨거운 전열면을 통하여 열이 가해지거나 차거운 전열열을 통해 열을 잃게 되는 경우 용기벽 부근에서 위치에 따라 유체의 온도가 달라져 밀도차가 발생하게 되고 이로 인하여 저밀도 분자들이 상부로 올가가게 되면서 혼합되는 현상입니다.

중력장이 존재하는 곳에서는 가벼운 분자가 중력장의 반대방향으로 이동하게 되는데 무중력 상태에서는 위,아래가 없어서 분자 이동에 의한 확산현상으로 인식됩니다.

유체를 교반하지 않는 경우 Natural Convection (자연대류)현상이 일어나지만 교반기(Mixing Device)로 저어주게되면 강제대류(Forced Convection) 현상이 일어나 혼합속도가 크게 증가합니다.  화학공정장치에서는 자연대류를 거의 사용하지 않고 강제대류방법이 열전달 및 혼합공정에 쓰입니다.

(2) 확산(擴散 Diffusion)은 분자운동이 큰 성분의 물질이 유체 혹은 고체 매질 속으로 이동하여 균일한 혼합물 상태로 되어 가는 현상입니다.  주로 분자량이 작은 물질이 분자량이 큰 물질 속으로 이동하게 되는데  순수한 물질들을 함께 용기에 넣어 두변 용기 내에서 균일한 혼합물이 될 때까지 물질 이동이 계속됩니다.   

서로 다른 물질의 온도가 동일한 경우에도 균일하게 혼합되려는 성질은 비균일 혼합상태 보다는 균일한 혼합상태가 열역학 적으로 더 안정한 상태이기 때문입니다.   

두가지 이상의 물질을 혼합하는 과정에서도 교반기를 사용하지 않으면 순수한 확산에 의한 혼합이 일어나지만 교반기를 사용하는 경우 강제대류 효과와 확산효과가 함께 일어나기 때문에 균일한 혼합물이 될 때까지 시간이 절약됩니다.

(A1-1) 교반기를 사용하지 않는 시스템에서는 유체내 국부적 온도변화를 일으키는 1) 열전달이 먼저 일어나고  2)온도변화에 의해 밀도변화가  이어진 후 3) 대류현상이 일어나게 됩니다.  확산과정도 1) 온도변화에 따라 2) 분자운동이 달라지고 3) 분자이동에 의해 혼합과정이 진행됩니다.

(A1-2) 앞서 설명한 바와 같이 확산과 대류이외에 혼합과정에서 가장 큰 영향을 크게 주는 Process는 Mixing이 있습니다.   

(A2-1) 유체의 밀도가 같은 경우 대류현상은 전혀 일어나지 않지만 분자운동에 의한 확산 과정만 일어납니다.

(A2-3) 일반적으로 온도가 높아지면 유체의 점성은 줄어들고 밀도는 낮아지게 되어 대류현상과 함께 확산속도가 빨라집니다.  점성이 크다고 대류나 확산이 일어나지 않는것은 아니고 이동속도가 늦다는 점만 다릅니다.

(A3-4) 유체의 표면장력값은 온도가 높아지면 낮아지는데 온도가 상승함에 따라 표면장력도 낮아지고 밀도도 낮아지고 분자운동도 크게 늘어나 대류현상이나 증발 및 확산속도는 증가하지만 그 이유가 표면장력의 효과라기 보다는 유체의 온도영행에 기인한다고 봐야 합니다.  즉 표면장력에 이해 대류나 확산의 현상이 억제되는 것은 아닙니다.

처음 듣게 되는 용어 <역적>이라는 용어설명 바랍니다.
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