SCIENCE 3D | 열을 건네주는 장치 (열교환기)

무슨 일이 일어났나

열교환기는 뜨거운 유체와 차가운 유체를 벽 하나로 떼어 두고, 벽을 건너 열만 옮기는 장치입니다.

시뮬레이터에서 맞닿은 곳의 열 컨덕턴스 G 가 10 W/K 이면 뜨거운 물이 55 °C 까지 식는 데 374 s 가 걸리지만, 100 W/K 로 키우면 37.4 s 로 줄어듭니다. 맞닿는 넓이를 넓히고 벽을 얇게 할수록 G 가 커집니다.

차가운 물을 2 kg 으로 늘리면 끝 온도는 40.0 °C 로 낮아지고, 건너간 열은 167 kJ 로 커집니다.

화력 발전소 보일러는 연료를 태운 열을 열교환기로 물에 넘겨 뜨거운 물과 증기를 만듭니다(미국 에너지정보청).

땅속 약 3 m 는 한 해 내내 10~15.6 °C 로 고르기 때문에, 지열 열펌프는 겨울에는 땅의 열을 건물로 끌어오고 여름에는 건물의 열을 땅으로 내보냅니다.

📸 진짜 모습

화성 탐사차 퍼서비어런스의 산소 만들기 장치에 쓰인 니켈 합금 열교환기 — 3D 프린터로 한 덩어리로 찍었습니다.
출처: NASA/JPL-Caltech · 퍼블릭 도메인 · NASA 그림 창고 원본 ↗

💡 생활 속 예시

자동차 앞쪽 그릴 안의 라디에이터는 엔진을 돌고 온 뜨거운 냉각수의 열을 얇은 관 벽 너머 바깥 공기로 넘깁니다.
갓 끓인 라면 냄비를 찬물 담은 큰 그릇에 담가 두면, 냄비 벽을 건너 열이 찬물로 옮겨 가 국물이 빨리 식습니다.

🙅 오해 깨기오해 모음 보기

겨울에는 땅속도 바깥 공기만큼 차가워서 열을 얻을 수 없다.
미국 에너지정보청에 따르면 땅속 약 3 m 의 온도는 한 해 내내 10~15.6 °C(50~60 °F)로 고르고, 겨울에는 지열 열펌프가 더 따뜻한 땅에서 열을 끌어옵니다. 출처

누가 왜 찾았나

1765 년 제임스 와트는 뉴커먼 증기 기관이 실린더를 데웠다 식혔다 되풀이해 연료를 낭비하는 것을 고치려 했습니다. 그는 증기를 따로 떨어진 방(분리 응축기)에서 식혀 실린더를 늘 뜨겁게 두었고, 연료 효율을 크게 높였습니다. 증기의 열을 차가운 물에 넘기는 응축기는 열교환기의 한 꼴입니다.

확인된 값

증기 터빈 발전 — 보일러에서 연료를 태워 열교환기로 뜨거운 물과 증기를 만든다: boiler heat exchanger 출처
땅속 약 3 m (10 ft) 의 온도 — 한 해 내내 10~15.6 °C (50~60 °F) 로 고르다: 10–15.6 °C 출처
겨울 — 지열 열펌프가 더 따뜻한 땅의 열을 건물 안으로 끌어온다: ground → building 출처
여름 — 건물 안의 쓸모없는 열을 더 시원한 땅으로 내보낸다: building → ground 출처
열펌프는 전기로 열을 차가운 곳에서 따뜻한 곳으로 옮긴다 — 냉장고와 같은 원리: cool → warm 출처
와트가 분리 응축기 모형을 만든 해 (과학박물관 소장 둘째 모형): 1765 출처
뉴커먼 기관은 실린더를 데웠다 식혔다 되풀이해 연료를 낭비했다: continual heating and cooling 출처
분리 응축기 — 증기를 다른 방에서 식혀 실린더를 늘 뜨겁게 두고 연료 효율을 크게 높였다: cylinder kept hot 출처
물의 비열(정압 비열) — 20.01 °C · 1 기압에서 4.18404 J/(g·K) = 4,184.04 J/(kg·K): 4184.04 J/(kg·K) 출처

교육과정에서는

한국 2022 · 역학과 에너지 · 열과 에너지
한국 2022 · 과학(중학교) · 열 [9과03-02]
일본 · 高等学校物理基礎 (2) 様々な物理現象とエネルギーの利用

출처

https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/how-electricity-is-generated.php(확인 2026-11-12)
https://www.eia.gov/energyexplained/geothermal/geothermal-heat-pumps.php(확인 2026-11-12)
https://www.energy.gov/articles/pump-your-savings-heat-pumps(확인 2026-11-12)
https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co50928/watts-second-separate-condenser-1765-condensers(확인 2026-11-12)
https://webbook.nist.gov/cgi/fluid.cgi?Action=Data&Wide=on&ID=C7732185&Type=IsoBar&Digits=6&P=0.101325&THigh=100&TLow=0&TInc=2&RefState=DEF&TUnit=C&PUnit=MPa&DUnit=kg%2Fm3&HUnit=kJ%2Fkg&WUnit=m%2Fs&VisUnit=uPa*s&STUnit=N%2Fm(확인 2026-11-12)

열을 건네주는 장치 (열교환기)