[실험보고서] 복사 열전달 실험

소개글

[실험보고서] 복사 열전달 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 개요

2. 실험 목적

3. 이론 및 해석

4. 실험장치

5. 실험방법

6. 실험결과

7. 결론 및 고찰

본문내용

광택 표면
-0.35
흑색체 표면
-2.7
코팅 표면
-0.9
흑색체 표면을 제외하고는 역제곱승법칙이 성립하기 위한 -2의 기울기와 전혀 다른 기
울기가 산출되었다.
④ Thermocouple 과 Thermopile 에 대하여 연구하고, 이들의 원리를 이해한다.
a. Thermocouple
열전대 라고 하며, 서로 다른 금속의 한 접점을 접합하고
나머지 접점은 떨어진채로 전선을 연결하여 컨넥터에 연결
한다. 접합된 접점에 열이 가해지면 접합되지 않은 두개의
서로다른 금속의 접점에서는 전압차이가 생겨 기전력이 발
생하게 되는데, 이 기전력의 변화를 측정하여 온도를 측정
하는 장치이다.
b. Thermopile
열전퇴 또는 열전대 이라고 하며, 다수의 열전대를 직렬
로 연결하여 기전력을 높여 열유량을 측정하는 장비이다.
매우 민감하므로 사용하기 전에 실온이나 정해진 환경에
서의 초기온도에서 정상상태에 이르도록 해야 한다.
2) 불투명체의 방사율 측정
① 완전한 흑체가 아닌 흑색체에 대한 방사율은 0.95로 가정한다. 이 값에 대하여 참고자 료를 활용하여 적절한 근거를 제시한다.
≫ 흑체는 영어로 Black Body 이다. 광학적으로도 검은색은 흡수율과 방사율이 가장 우 수하므로 이상적인 흑체를 만들 수 없는 현실에선 검은색으로 색칠하면 1에 가까운 높은 방사율을 가지는 준흑체를 만들 수 있을 것이고 이렇게 만든 흑색체의 방사율을 0.95로 가정하는 것이다.
② 제시된 방정식을 이용하여 실험한 평판에 대하여 측정된 모든 점에서 방사율을 구한다.
※ 이때 기준이 되는 방사율은 흑색체의 방사율로, 0.95로 가정한다.
표면
거리 []
광택 표면
코팅 표면
25
0.298
0.689
30
0.322
0.711
35
0.359
0.751
40
0.374
0.794
45
0.416
0.821
50
0.432
0.839
55
0.437
0.857
60
0.438
0.869
65
0.450
0.883
③ 열유량과 방사율을 거리의 함수로 그래프에 그린다.
코팅 표면
광택 표면
< Fig 3. 방사율 그래프 >
※ 그래프는 2nd Polynominal Regression 으로 그렸음.
≫ 열유량은 주어진 식으로 구할 수가 없었지만, Thermopile에서 얻은 전압분포와 같은 양 상을 보일 것이다. 열유량도 거리의 증가에 따라 감소하게 되는데, 이것은 방사율이 거 리의 증가에 따라 증가하는 것과 정반대이다. 이것에 대한 분석은 ④에서 논한다.
④ 위에서 구한 방사율의 분포를 살펴보고, 방사율의 분포가 일정한 값을 나타내지 않으면 그 이유에 대하여 논한다.
≫ 굳이 그래프를 보지 않더라도 표에서만 해도 방사율이 거리가 증가함에 따라 증가하는
것을 쉽게 알 수 있다. 이렇듯 일정한 값을 나타내지 않는 이유는 흑체에는 없지만, 실험에 쓰였으며, 현실의 물체인 평판에서는 필히 나타나는 복사의 방향성 때문이다.
Thermopile
한쪽 방향으로 방사율이 편향 가 작아질수록 전방을 향하는
되는 방향성을 보이게 된다. 방사율이 높아지므로 Thermopile
이 멀어질수록 방사율이 높아지게
되는 것이다.
≫ Thermopile 이 가까울때는 값이 커지게 되어 복사량. 즉, 열유량은 높게 측정되지만 방사율은 낮게 측정된다. Thermopile 이 멀어질수록 값이 작아지게 되고, 열유량은 점차 낮게 측정되지만 방사율은 점차 높게 측정되게 된다.
⑤ 온도에 대한 가정 즉, 에 대한 오차를 설명한다.
≫ 실험을 행하는데에 있어서 Thermopile 자체의 온도변화는 매우 미미하여 거의 없다고 보아도 무방하다. 이런 이유로 Thermopile의 온도를 실험환경의 실온과 같다고 근사 하여 다루는데, 이 근사에 의한 오차는 Thermopile 이 높은 온도로 가열된 복사체에 노출된 시간이 길어질수록 커질 것으로 예상된다. 이번 실험에서는 50초를 노출 측정 시간으로 설정하였는데, 만약 이 시간이 길어진다면, Thermopile 자체가 가열이 되어 실온과 그 온도차가 커지게 되므로 온도에 대한 가정에 의한 근사를 더 이상 사용할 수 없게 되고 만약 이 근사를 사용한다면 오차가 커지게 될 것이다.
7. 결 론
※ 열유량을 측정하기 위해 스테인리스 평판을 가열하는 과정에서 평판의 표면 상태에 따라 가열되는 시간 및 정상상태에 이르는 온도가 현격히 차이나는 것을 보고 열유량과 방사 율을 어림짐작 할 수 있었다.
※ 처음 실험때에 Thermopile 의 캡을 씌운채로 하여 데이터가 제대로 나오지 않았는데, 이 캡을 씌운채로 실험을 하려면, 복사에너지를 방출하는 방사체의 온도가 300℃ 이상 의 고온이어야 하며, 다른 외부변수가 없는 밀폐된 장소가 필요하다는 것을 알았다.
※ Thermopile에서 추출된 데이터값을 보면 거리가 증가함에 따라 전압값이 감소하여 열유 량이 감소한다는 것을 알 수 있었으나, 역제곱법칙의 성립을 검증할 수는 없었다. 직접 적인 계산에 의한 것 외에도 log-log 그래프에 의한 방법에서도 큰 오차를 보이고 있었 다. 가장 근접한 값을 가지는 것은 흑색체였다. 이토록 큰 오차가 발생한 것은 실험실의 공기유동 상태가 안정되어있지 못하였고, 가열된 평판의 정상상태 온도가 300℃ 이하의 상대적인 저온이였던 것 때문으로 추정된다.
※ 표면의 상태에 따른 방사율의 차이는 가열때부터 대략 예상되었던 결과를 보여주었다. 흑색체가 가장 높았고, 그다음은 코팅표면과 광택표면의 순서였다. 이때 물체의 고유한 스펙인줄 알았던 방사율이 거리가 증가함에 따라 같이 증가하였는데, 이것은 비흑체 물 체의 복사에너지 방사의 방향성 때문인 것으로 생각된다.
※ 메카트로닉스 수업에서도 접해보았고 열전달 수업에서도 많이 접했던 열전대를 직접 실 험에서 사용해보는 좋은 기회였고, Thermopile 이라는 유용한 장비에 대해 새로이 알고 연구해 볼 수 있었던 좋은 실험이었다.
※ 이번 실험은 우리가 첫 실험을 하는 조였던 관계로 선행자료등의 부족으로 많이 고생하 고 했지만 그만큼 더 많이 생각해보고 성장하는 좋은 계기였고, 무엇보다 평소에 잘못 알고있던 것들을 새로이 알 수 있는 의미 있는 실험이었다.

키워드

복사,   열전달,   Thermopile,   Thermocouple,   열전대,   방사율,   복사량