온도차가 있는 물질 속을, 또는 물질에서 물질로 열이 이동하는 현상. 전열이 관여하는 현상은 자연계와 인간생활 속에 무수히 존재한다.

태양에 의해 대지가 가열되고, 발전 플랜트 보일러에서는 화석연료(化石燃料)의 연소에 의해 고온의 증기를 만들며, 각종 열교환기 내에서는 유체(流體)와 고체벽(固體壁), 또는 유체와 유체간에 전열이 행해진다.

현대사회 에너지원의 대부분, 즉 화석연료 · 태양열 · 원자력 · 지열(地熱) 등은 최종적으로 전기 에너지나 기계적 에너지 등 용도에 맞는 형태의 에너지로서 사용되는데, 에너지 변환과정에서 한 번은 열에너지의 형태를 취하는 것이 대부분이며, 열에너지의 변환과 수송과정에는 반드시 전열현상이 따른다.

전열기술에는 열을 이동하기 쉽게 하는 기술(전도 증진), 반대로 열의 이동을 되도록 작게 유지하는 기술(단열 · 보온) 등 전열을 적극적으로 제어하는 기술도 있다.

〔전열의 형태〕 열의 이동은 외부에서 일이 가해지지 않는 한, 항상 온도가 높은 곳에서 낮은 곳을 향해 일어난다.

이 방향성은 이른바 제2종 영구기관(永久機關)의 존재를 부정하는 열역학 제2법칙이다.

열이라는 개념은 열역학 제1법칙에서처럼 에너지의 한 형태이며, 온도의 고저에 따라 이동하는 물리량이다.

열 이동의 기본형태는 열전도와 열복사이며, 그때의 열의 이동을 각각 전도전열, 복사전열이라고 한다.

열전도는 액체 · 기체 · 고체를 막론하고 발생하는 열에너지의 이동형태이다.

미시적으로는 분자(分子)나 전자(電子)의 활동에 의해 내부 에너지가 전파되는 현상인데, 우리 눈에는 마치 열이 온도차에 의해 운반되는 것처럼 보인다.

어떤 면의 단위넓이를 단위시간당 통과하는 열량을 열류속(熱流束)이라고 하는데, 열전도에 관계하는 열류속은 온도기울기에 비례하는 푸리에의 법칙이 일반적으로 성립한다는 것이 알려져 있다.

이것은 열류속을 q, 온도를 T라 하면 q=- grad T, 또는 x방향의 열류속을 라 하면 =-∂T/∂x로 나타낼 수 있다.

음(陰)의 부호는 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐른다는 방향성을 나타내고, 비례상수 는 물질에 따라 결정되는 상수로 열전도율이라고 한다.

즉, 가 클수록 열이 잘 전해지는 물질이라고 할 수 있다.

일반적으로 금속의 열전도율이 큰데, 전기의 도체일수록 더욱 크며, 같은 온도에서 열전도율과 전기전도율의 비는 금속의 종류에 관계없이 거의 일정하다(비데만-프란츠의 법칙).

은 · 구리 · 금 등은 특히 열전도율이 크다.

흔히 단열재 또는 보온재라고 하는 것은 열전도율이 작은 암면(岩綿) · 석면 · 유리솜 · 탄화 코르크 등의 물질로 만들어진다.

대개 다공질(多孔質) 또는 섬유층으로 성형(成形)되어 열전도율이 작은 공기를 보유하도록 되어 있다.

전열의 또 하나의 기본형태는 열복사이다.

이것은 물질이 전자기파(電磁氣波)의 형태로 에너지를 방출 또는 흡수하는 현상인데, 원자와 분자 및 전자의 운동에 지인하며, 전열과 관련을 갖는 것은 비교적 파장이 긴 가시(可視)영역에서 적외영역에 걸친 폭넓은 파장의 전자기파이다.

열복사선은 빛과 마찬가지로 직진 · 반사 · 굴절의 성질을 가지며, 물체 표면에 입사하면 일부는 흡수되고 일부는 반사되고 일부는 투과한다.

흡수된 복사에너지는 다시 물질의 분자운동 에너지로 변환되어 외견상 온도가 상승한다.

입사하는 열복사선을 모두 흡수하는 물체를 흑체(黑體)라고 하는데, 흑체에서 복사되는 열복사선은 그 온도에서 각 파장의 열복사의 최대값을 보인다.

일반적으로 실재하는 물체의 열복사는 항상 흑체보다 약한 열복사를 나타낸다.

따라서 어떤 온도에서 어떤 파장에서의 물체의 열복사 와 흑체의 열복사 와의 비 를 단색복사율이라 하며, 물체의 열복사의 활발성의 기준이 된다.

키르히호프의 법칙에 따르면, 어떤 온도에서 물체의 단색복사율 와 단색흡수율의 (흑체에서는 1)는 같다.

단색복사율이 파장에 의하지 않고 일정한 것을 회색체(灰色體)라 한다.

즉, 회색체에서는 파장에 관계없이 =이다.

일반적인 물체의 복사는 이회색체와도 다르며, 그 복사율 및 흡수율은 파장에 따라 변화하는데, 공학적으로 열복사를 취급하는 많은 경우에 물체를 회색체로 취급할 때가 많다.

절대온도가 각각 , 이고 넓이가 , 인 2개의 회색체 사이에서 복사에너지가 수수(授受)될 때, 회색체 1이 방출하는 에너지는 Q1= (- )로 주어진다.

여기서 는 슈테판-볼츠만 상수 은 형태계수라 하며, 면2에서 방출되는 열복사선중 면1에 입사하는 비율을 나타낸다.

〔비등과 응축에 의한 전열〕실제로 발생하는 전열현상에서는 위와 같은 전열 기구(機構)가 동시에 함께 일어나는 경우가 적지 않다.

예컨대 고체벽을 끼고 양쪽 유체 사이에 전열이 행해지는 경우를 열관류(熱貫流)라고 하는데, 이것은 열전달과 열전도(고체벽 내)가 복합된 것이다.

또한 연소와 같은 화학반응이나 이종(異種) 물질의 확산을 수반하는 경우도 있고, 전열이 비등이나 응축 등 유체의 상변화(相變化) 에 의하는 일도 있다.

공학적으로 중요한 것은 비등과 응축이다.

비등전열이란, 포화온도 이상으로 과열된 액체의 증발에 의한 기포형성을 수반하는 전열현상을 가리킨다.

보통 가열된 고체 표면 및 그 근처의 액체층은 과열되어 고체 표면의 미소한 균열이나 불순물의 도움을 받아 기포를 형성한다.

이와 같이 상변화를 수반하는 전열에서는, 전열면 표면에 생기는 경계층이 교란되어 앓아져서 열전달률은 대단히 커진다.

비등을 액체의 온도에 따라 나누면, 비등하는 액체의 온도가 포화온도에 달해 있는 포화비등, 액 전체의 온도는 포화온도보다 낮으나 전열면의 온도가 전열면 근방의 액체과열에 충분할 정도로 가열되어 일어나는 서브쿨 비등(표면비등)이 있다.

대류와 같이 강제적인 흐름이 존재하는 경우를 강제대류비등, 용기 속에 액체를 모아 비등시키는 경우처럼 흐름이 지연대류에 의해 일어나는 경우를 풀 비등이라 한다.

비등전열의 기구는 전열면 온도의 상승과 함께 변화한다.

예컨대 대기압의 물속에 가는 백금선 (白金線)을 수평으로 펴고 이것을 전류에 의한 줄열로 가열했을 경우, 전열면 온도와 액체의 포화온도의 차가 극히 작을 때는 백금선 주위에 자연대류가 발생하고, 가열량이 증가해 어떤 온도차 이상이 되면 비로소 이산적(離散的)인 기포가 발생, 핵비등이라는 상태가 된다.

전류를 더 크게 하면, 어떤 한계의 열류속 조건에서 전열면 온도가 급상승해 백금선은 증기막에 덮여, 전열면과 액체가 직접 닿지 않는 막(膜)비등의 상태가 된다.

이 때문에 핵비등에 비해 막비등에서는 열전달률이 저하된다.

위의 2가지 비등형태 외에, 그 중간의 전열면 온도조건하에서의 비등현상으로서 전이(轉移)비등이라는 상태가 있는데, 이것은 핵비등과 막비등이 혼재하는 상황이라고 생각된다.

증기가 포화온도보다 낮은 전열면에 닿으면 숨은열(潛熱)을 방출해 응축하고, 응축한 액체는 중력의 작용으로 전열면 위를 흘러 낙하한다.

이와 같은 기구에 의한 전열을 응축전열이라고 한다.

응축에는 막상(膜狀)융축 · 적상(滴狀)응축의 2가지 형태가 있다.

막상응축에서는 응축액체가 냉각면 위를 연속된 얇은 막상을 이루며 흘러내린다.

적상응축에서는 응축액체에 젖기 어려운 냉각면 위에 적상으로 응축이 일어나 액적(液滴)의 성장과 합체에 의해 액적이 커져, 최종에는 낙하하는 사이클을 되풀이한다.

이 액적의 낙하에 따른 전열면의 청소작용에 의해 전열면이 노출되므로 적상응축에서의 열전달률은 막상응축보다 두드러지게 높아진다.