목재의 열에 대한 성질

목재의 열에 대한 성질

 

목재는 다른 재료와 마찬가지로 주위 온도, 즉 열의 변화에 따라 치수변동이 일어나게 된다.
목재의 방향별 열팽창 정도를 살펴보면 섬유방향이 가정 작고 접선방향이 가장 크며 방사방향은 접선방향의 2/3 정도에 해당된다.
목재의 비중에 증가에 따라서는 방사방향과 접선방향의 열팽창계수는 증가하는 경향을 보이는 반면 섬유방향의 열팽창계수는 대개 일정한 값을 보이게 된다.
목재의 열에 의한 팽창은 수분에 의한 것보다도 매우 작으며 실용면에서 본다면 문제가 되지 않는다.
목재는 다공질체이므로 보온재로써도 널리 이용될 수가 있다.
그러나 목재중의 공극은 완전히 고립되어 있는 것이 아니기 때문에 고립적인 기포를 지니는 합성수지계의 발포체나 이와 유사한 코르크에는 견줄 수 없다.

<표> 선 열팽창계수(Coefficient of linear thermal expansion)

재료	비중	선 열팽창계수( x 10-6/K*)
		섬유방향	방사방향	접선방향
목재 Balsa(발사) Sitka spruce(가문비나무) Tulipwood(튜울립나무) Douglas-fir(미송) Yellow birch(황자작나무) Sugar maple(당단풍나무)	0.17 0.42 0.43 0.51 0.66 0.68	- 3.50 3.55 3.52 3.57 4.16	16.3 23.9 27.2 27.1 32.2 28.4	24.1 34.6 31.4 45.0 39.4 37.6
합판(5매, 자작나무, Plywood) 판면방향 두께방향	7.6 50.8
삭편판(Particleboard) 판면방향	10
목재-시멘트 삭편판(Wood-cement particleboard) 판면방향	10
금속 니켈(Nickel) 연강(Steel, mild) 알루미늄 합금(Aluminium alloy)	13 15 23
고분자 폴리프로필렌(Polypropylene) 나일론(Nylon) PVC	62 100 190

※ 물의 3중점을 나타내는 열역학적 온도의 1/273.16을 1 K(Kelvin)으로 한다. K로 표시되는 열역학적 온도 T와 섭씨 온도 t 사이에는 t = T - 273.15의 관계가 성립된다. 예를 들어 280 K는 7 ℃ 및 45 oF에 해당된다.

목재의 열전도율은 비중에 따라 좌우된다.
이것은 공극중에 존재하는 건조 공기의 열전도율이 세포벽의 열전도율에 비하여 작기 때문에 그런 것이다.
목재에 있어서 섬유방향의 열전도율은 횡방향에 비해 대략 2∼2.5배 정도 큰 편인데 이는 대부분의 목재 세포가 방추형의 섬유 모양을 띠면서 축방향으로 배열되어 있기 때문에 그렇다.
방사방향과 접선방향 사이의 열전도율 차이는 그리 크지 않지만 방사방향으로의 열전도율이 약간 더 큰 편인데 이는 방사조직에 의한 것이다.
그리고 물의 열전도율은 목재의 섬유방향 열전도율보다 대략 2배 정도 크기 때문에 수분을 많이 지니는 경우 열전도율은 커지게 되며 따라서 보온효과는 떨어지게 된다. 추출물 역시 열전도율에 영향을 미치는데 추출물을 많이 지니는 목재일수록 열전도율이 크며 수지(송진) 역시 같은 영향을 미치게 된다.
열의 유동 방향에 있어서의 단위 면적당 재료의 열 저항성 정도를 나타내는 척도로 R값이 이용되고 있는데 이는 열이 흘러가는 경로의 길이에 비례하게 되므로 길이 L을 열전도율 K_q로 나누어 주면 된다.
즉, R = L/K_q의 계산식을 이용하면 되는데 국제단위(SI Unit)인 경우 R은 (m²K)/W, L은 m, K_q는 W/(m ·K) 그리고 영국 공학단위(British Engineering Unit)인 경우 R은 (ft²·hr·^oF)/BTU, L은 inch, K_q는 BTU·inch/(ft²·hr·^oF)의 것을 이용하여 계산하면 된다.
예를 들어, 두께 10 cm인 독일가문비나무의 횡방향 R값은 0.1/0.1 = 1 (m²K)/W가 되고 같은 두께의 벽돌인 경우 0.1/1.0 = 0.1 (m²K)/W가 된다.
그리고 벽돌이 두께 10 cm인 독일가문비나무의 횡방향과 동일한단열 성능을 나타내기 위하여는, 즉 벽돌이 1 (m²K)/W의 R값을 갖기 위하여는 1 = L/1.0이라는 식이 성립되고 결국 벽돌의 두께는 1 m가 되어야 한다.
이는 재료의 열에 대한 절연성은 R값이 커질수록 우수해짐을 의미하게 되는 것이다.
한편 재료의 열 유동성 정도를 알아보기 위하여는 U값을 이용하는 것이 더 편리한데 U = 1/R의 계산식을 이용하면 된다. U는 국제단위인 경우 W/(m²K) 그리고 영국 공학단위인 경우 BTU/(ft²·hr·^oF)가 된다.
재료의 열에 대한 절연성은 R값이 커질수록 우수해지기 때문에 R값의 역수인 U값은 반대로 작아질수록 우수해진다.

<표> 열전도율(Thermal conductivity, K_q)

목재(함수율 6∼12%)	밀도 (kg/m3)	열전도율{(W/(m·K)}*
		횡방향	섬유방향
Balsa(발사, Ochroma lagopus) Norway spruce(독일가문비나무, Picea abies) Douglas-fir(미송, Pseudotsuga taxifolia) Scots pine(구주적송, Pinus sylvestris) Europrean walnut(호도나무, Juglans reiga) Mahogany(Swietenia sp.) American white ash(백물푸레나무,) European oak(참나무, Quercus robur)	176 350 512 545 577 609 640 673	0.06 0.10 0.11 0.13 0.14 0.16 0.17 0.16	- 0.21 - 0.21 0.33 0.30 0.30 0.28
합판(Plywood)	0.12∼0.14
경질섬유판(Hardboard)	0.11∼0.13
삭편판(Particleboard)	0.13∼0.14
목재-시멘트 삭편판(Wood-cement particleboard)	0.35
구리(Copper)	400
알루미늄(Aluminium)	201
벽돌(Brick)	1.0
코르크(Cork)	0.05
유리섬유(Glass wool)	0.04
폴리스티렌(Polystyrene, cellular)	0.035
폴리우레탄(Polyurethane, expanded)	0.023

※ 1 W/(m·K) = 6.94 BTU·inch/(ft²hr·^oF) = 0.86 kcal·m/(m²>·hr·℃)= 0.86 kcal/(m·hr·℃)

목재를 연소시키면 열이 발생하게 되는데 1 g 또는 1 kg의 목재를 완전히 연소시켰을 때 발생되는 열의 양을 발열량이라고 한다.
전건목재의 최대 발열량은 평균 4500 cal/g(4500 kcal/kg) 정도이다.
이 발열량은 수종에 따라 달라지게 되는데 대개 활엽수재의 평균 발열량은 4350 kcal/kg 정도로써 침엽수재의 평균 발열량 4700 kcal/kg보다 작은 편이다.
목재의 함수율에 따라 발열량은 작아지게 되는데 기건재의 발열량은 전건재의 발열량에 비해 대략 15% 정도 작은 편이다.
이들의 관계는 H = (4500 - 600u)/(1 + u)로 표현될 수가 있는데 여기에서 H는 함수율 u일 때의 발열량(kcal/kg) 그리고 u는 전건무게를 기준으로 한 함수율(소수점으로 표시)이다.
추출물 역시 발열량에 큰 영향을 미치는데, 예를 들면 수지(송진)는 발열량이 8500 kcal/kg 정도로써 높은 편이기 때문에 소나무류와 같이 수지를 지니는 침엽수재는 높은 발열량을 지니게 된다.
또한 목재의 화학 조성분에 따라 발열량이 달라지게 되는데 이는 리그닌(lignin)의 발열량이 6100 kcal/kg 정도로써 셀룰로오스(cellulose)의 발열량 4150 ∼ 4350 kcal/kg보다 높기 때문에 그런 것이다.

<표> 전건목재의 최대 발열량(kcal/kg)

수종	목재	수피
미송(Douglas-fir)	4580∼5030	5610
젓나무(Fir)	4440∼4650	5060
소나무(Pine)	4780∼6790	5040∼5980
가문비나무(Spruce)	4500∼4700	4900
오리나무(Alder)	4300∼4440	4670
너도밤나무(Beech)	4500∼4870	5340
자작나무(Birch)	4650∼5190	5310∼5480
단풍나무(Maple)	4180∼4670	4300
참나무(Oak)	4390∼5280	4140∼4660
포플라(Poplar)	4120∼5350	4240∼4670