[화학공학]열전도도실험 보고서

목차

■ 실험제목

■ 목 적

■ 이 론
● 전 도
● 열전도도란?
● Fourier's Law
● 정상상태 전도

■ 실험기구 및 방법

■ 결과 및 고찰

■ Reference

본문내용

ocouple
Low Temperature Source
City Water
Automatic Temperature controller P.I.D function controller, Thyristor Power Unit
※ 여러 물질의 열전도도
고 체
t[℃]
κ
t[℃]
κ
은
0
360
100
354
동(순수)
0
333
100
324
알루미늄
0
174
100
177
황동
0
83
100
89
철(순수)
17.8
58
100
54.5
철강(1%C)
17.8
39
100
38.5
납
0
30
100
28
18.8철강
0
12.7
100
14
석면
0
0.13
200
0.18
규조토
0
0.052
350
0.079
4. 실험 기구 및 방법
1) 실험 기구
① 열전도율 측정 장치
② 버니어 캘리퍼스
노기스라고도 하며, 원형으로 된 것의 지름, 원통의 반지름 등을 측정하는데 주로 사용된다. 본척과 본척위를 이동하는 버니어로 되어 있는데, 본척의 선단과 버니어 사이에 측정물을 끼우고, 본척위의 눈금을 버니어를 사용해서 읽는다. 보통 사용되고 있는 것은 본척의 한 눈금이 1㎜이고 버니어의 눈금은 본척의 19눈금을 20등분한 것이다. 이것에 의하면 읽을 수 있는 최소 수치는 1/20㎜이다. 이 밖에 최소 치수가 1/50㎜인 거도 있다. 사용방법이 간단하여 기계 공장 등에서 널리 사용되고 있다.
③ 재질을 알 수 없는 두 종류(4개)의 시편
2) 실험 방법
시험편 장치의 설명을 정확히 숙지한 후 실험에 들어가도록 한다.
① 시험관을 장치의 a(2㎜두께), b(4㎜두께)에 각각 설치하고 유량계를 통하여 냉각수를 일정량 하부로 흘러보낸다.
② 전원을 넣은 후 온도조절계로 일정 온도를 올려 주고 냉각수량을 조절한다.
③ Panel의 온도지시계의 온도를 순서대로 읽고, 정상상태의 값을 시험 결과로 기록한다.
④ 시험편을 바꾸어 위의 과정을 되풀이 실험한다.
5. 측정 자료 및 계산
① 구리의 열전도도
온도 (k)
293
373
열전도도(W/mk)
358.8
377
보간법에 의한 각 온도에서의 구리의 열전도도 계산
온도 (℃)
35
40
85
90
95
열전도도
(W/mk)
363.5
364.625
373.625
374.75
375.875
② 계산법
A. 계산식 유도 (전도에 의한 고체의 열전도도)
⇒
⇒
⇒ (기준편:R, 시험편:X)
⇒ ( A는 일정)
B. 시험편의 실제 열전도도
⇒
( ∵ ⇒
)
C. 실험 조건
기준편(Cu)의 두께 - LR : 237mm (각 온도계 사이: 30mm, 4~5번 온도계+ a 또는 c 시편두께 : 15mm, 6~7번 온도계 + b 또는 d 시편두께 : 12mm)
시편(a,b,c,d)의 두께 - La : 4mm Lb : 2mm
Lc : 4mm Ld : 2mm
③ 측정된 자료 및 열전도도 계산
A. 온도 Profile
Table 1. 시편 a , b 투입시 온도 Profile
지점
11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
온도 (℃)
74.7
55.4
54.7
54.3
53.6
38.5
37.9
22.7
22.1
21.4
20.9
17.4
Table 2. 시편 c , d 투입시 온도 Profile
지점
11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
온도 (℃)
60.2
49.5
48.4
47.5
46.5
40.3
39.5
32.3
31.7
31.0
29.2
26.4
B. 온도 Profile Graph
C. 시편의 열전도도 Kab, Kcd 계산
ㄱ.시편 a(또는 b)의 열전도도 계산
(KR 값으로 35℃ 일때의 구리의 열전도도 값 이용)
ㄴ.시편 c(또는 d)의 열전도도 계산
Table 3. 각 시편의 열전도도
시편
a
b
a,b
c
d
c,d
열전도도 (k)
14.01
7.10
553.01
20.14
8.675
-62.62
ㄷ. 변형된 Fourier 식(열저항)을 이용한 열전도도 산출
Table 4. 각 시편의 열전도도
시편
a
b
a,b
c
d
c,d
열전도도 (k)
0.000047
0.000023
-0.001081
0.000019
0.0000012
-0.0000013
6. 오차 해석과 결과 검토
a,b 시편의 열전도도 값: 553.01
c,d 시편의 열전도도 값: -62.62
위 값은 이론적 배경에서 나온 어떤 재질의 열전도도하고도 일치하는 것을 찾을 수가 없었다. 물론 변형된 Fourier 식으로 구한 값도 이론적인 값과는 거리가 있는 값들이 구해졌다. 이 실험은 이론상으로는 온도 구배가 비정상상태 (Unsteady state conduction)의 형태를 그리다가 어느 시점부터 정상상태 (Steady State conduction)의 구배를 나타내게 되는데 실험을 실제로 진행했을 때에는 아무리 시간이 흘러도 정상상태의 온도 구배에 접근하지 않았고 시편 a,b에서는 크게는 약 0.7℃에서 작게는 0.3℃의 차이를, 시편 c,d에서는 0.9℃에서 0.7℃정도의 거의 일정한 차이를 보이며 계속 상승했다. 실험 시간의 제한으로 인해 (특히 두 번째 c,d 시편 측정시)어쩔 수 없이 가장 정상 상태에 접근했다고 생각되는 시점에서의 온도 구배를 기록하였고 그것이 위의 열전도도 값으로 이론상의 값과 많은 차이를 보는 값을 얻게 된 첫 번째 이유인 것 같다. 두 번째로는 시편을 투입하는 틈에 시편을 투입하면 이론상으로는 두께가 틈과 정확히 맞아야 하는데 실제로는 정확히 맞지 않고 공기가 통하게 되어서 열손실이 발생하게 된다는 약점으로 인해 이론상의 값과는 잘 맞지 않는 값이 나오게 한 두 번째 이유인 것 같다. 세 번째로는 시편 자체가 전해진 열의 손실 없이 다 전도되는 것이 아니라 육안으로는 보이지 않는 porosity가 있는 것으로 사료된다는 점이다. 이 실험 오차는 결국 실험자의 노력이나 팀웍보다는 시편의 특성이나 열전도도 검지기의 부정확성에 기인하는 실험 환경적 요인에서 결정적으로 비롯된다고 하겠다.
[참고문헌]
1. 화공생명기초실험 교과서
2. 생명 과학도를 위한 대학 물리 (1983 , Tilly & Thumm, 탐구당)
3. 대학 기초 물리학 (1983, Jerry B. Marlon, 탐구당)

키워드

화공,   유체,   Fourier's Law,   정상상태,   전도,   simple bar,   Compound ba,   열전달