개념 한 쪽
전기건조는 전기에너지로 물질을 가열하거나 건조하는 기술을 말한다. 가열 방식에 따라 표면을 직접 데우는 적외선, 저항체의 줄열을 이용하는 저항가열, 금속의 와전류로 가열하는 유도가열, 유전체 손실로 내부를 가열하는 고주파 유전가열 등이 구분된다. 전열 계산에서는 전력·시간을 kWh로 환산한 뒤 1kWh = 860kcal 식으로 열량을 구하고, 필요한 열량과 공급열량의 비로 효율을 산정한다.
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출제기준 단원 「전기건조」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전열 효율 산정 | 1 | 필요 열량과 공급 열량의 비로 전열기 효율을 계산하기 |
| 가열방식 적용 판단 | 1 | 대상 물질과 용도에 맞는 가열방식을 고르기 |
| 전력→열량 환산 계산 | 1 | kW·시간 값을 kcal로 환산해 열량을 구하기 |
가열 방식은 열이 전달되는 경로와 대상 물질 특성에 따라 구분한다. 적외선가열은 복사에 의해 표면에서 직접 흡수되어 표면 가열과 건조에 적합한 반면, 유전가열은 절연물(유전체)의 내부 분자 진동에 의한 손실 열로 내부부터 데우는 방식이다. 유도가열은 금속에 교번 자계가 작용해 와전류가 발생하는 원리를 이용하므로 금속 가열에 적합하다.
저항가열은 도체의 저항에 전류가 흐를 때 생기는 줄열(P = I²R)을 이용하여 가열하는 방식이다. 이 원리는 전기 다리미나 전기난로의 발열선에서 관찰되는 현상으로, 전력만 알면 직접 열량을 계산하기 쉽다. 유도·유전 가열은 모두 변화하는 장이 필요하므로 교류만 사용한다는 공통점을 가진다.
열량 계산의 기본은 전력[kW] × 시간[h] × 860 = 열량[kcal] 식이다. 전열기의 출력과 사용 시간을 kW·시간 단위로 맞춘 뒤 860을 곱하면 kcal 단위 열량이 나온다. 건조 공정에서 요구되는 열량과 실제 공급된 열량의 비율로 전열 효율을 구할 수 있다.
가열 방식의 적용은 대상 물질과 목적에 따라 결정한다. 섬유나 도료처럼 얇은 표면의 건조가 목적이면 적외선가열이 효율적이고, 금속의 가열·열처리에는 유도가열이 적합하다. 문제 유형은 가열 방식과 적용 대상의 매칭, 단위 환산 계산, 효율 산정 등으로 출제된다.
예 1: 전력 환산과 효율 계산 문제 문제 조건: 15℃의 물 4L를 1kW 전열기로 80℃까지 올리는 데 30분이 걸렸다. 필요한 열량은 Q = m·c·ΔT = 4kg × 1kcal/kg·℃ × (80−15)℃ = 260kcal이다. 전열기가 공급한 에너지는 P×t = 1kW × 0.5h = 0.5kWh이고, 0.5kWh × 860 = 430kcal이므로 효율 η = 260 ÷ 430 ≈ 60%로 계산된다.
예 2: 전력→kcal 환산 문제 문제 조건: 500W 전열기를 정격 상태로 1시간 사용했다면 열량은 P[kW]×t[h]×860 = 0.5×1×860 = 430kcal이다.
이 두 예는 모두 먼저 전력을 kW와 시간 h로 맞추고 860을 곱하는 과정을 거쳐 열량을 구한 뒤, 필요 열량과 비교하여 효율을 계산하는 공통 절차를 따른다.
도체에 고조파 전류를 통하면 전류가 표면에 집중 하는 현상이고 금속의 표면 열처리에 이용하는 효과는?
정답 ④ · 문항은 고조파(고주파) 전류를 통했을 때 전류가 도체 표면에 집중되는 현상과 그 응용을 묻고 있다. 이 현상은 표피효과로 불리며 고주파일수록 전류가 도체 표면으로만 흐르게 되어 표면만 집중적으로 가열하는 고주파 표면 열처리(담금질)에 이용된다.
고주파 전류가 도체 표면에 집중되는 표피효과 — 금속 표면 열처리(고주파 담금질)에 이용.
열에 의한 물질의 상태변화에 대한 설명 중 틀린 것은?
정답 ④ · 문제는 열에 의한 상태변화 용어의 설명 중 틀린 것을 찾는 것이다. 고체→액체는 융해, 액체→고체는 응고, 액체→기체는 기화가 맞고 기체를 냉각해 액체로 만드는 것은 액화 또는 응축이라 부른다.
기체를 냉각해 액체로 만드는 것은 액화이며, 승화는 고체와 기체가 직접 바뀌는 상변화다.
15[℃]의 물 4ℓ 를 용기에 넣고 1[kw]의 전열기로 90[℃]로 가열하는데 30분이 소요되었다. 이 장치의 효율[%]은? (단, 증발이 없는 경우 q=0이다.)
정답 ① · 물 4ℓ(4kg)을 15℃에서 90℃로 가열하는 데 필요한 열량은 Q = mcΔt = 4 × 1 × (90 - 15) = 300 kcal입니다. 전열기 1kW는 1kJ/s이며, 1kcal ≒ 4.186kJ이므로 전열기의 열량환산치는 약 0.239 kcal/s입니다.
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