열전도도 측정 실험

목차

1. 실험 제목
2. 실험 목적
3. 실험 장치
4. 기본 이론
5. 실험 계산 과정 및 결과
6. 결론 및 고찰

본문내용

하는 계산 과정이 조금 시간이 걸렸다.
먼저 열전달 시간에 배운 기초적 이론인 열전달율과 열전달량의 관계를 알아야 한다. 여기서 열전달율은 시간당 열량(열전달량)을 말하며, 이 관계를 가지고 열량 법칙과 푸리에 열전도 법칙을 적용할 수 있다.
이 지식을 바탕으로 우선 열량 법칙 Q = cm△T를 구할 수 있다. 물의 비열과 질량 (여기서 m = ρV를 이용), 그리고 △T:들어오는 물과 나가는 물의 온도차를 각각 구할 수 있다. 여기서 중요한 것은 실험에서 유량을 측정했기 때문에 유량 V/△t을 이용하기 위해서 m = ρV라는 공식을 사용해야 한다는 것을 알고 있어야 한다.
열량법칙으로 열전달율을 구했으면 이번에는 열전도도 k를 포함하고 있는 푸리에 열전도 법칙 Qcond =kA△T/△L을 이용할 수 있다. 면적A는 시편의 지름을 이용하여 구할 수 있고, 시편의 두께 △L은 이미 주어진 값을 이용할 수 있다. △T:시편 위표면과 아래표면 온도차를 구하려면, 시편을 제외한 나머지 구간에서는 온도구배 △T/△L가 일정해야 한다는 것을 알고 있어야 한다. 즉, 온도-간격(구간)의 그래프를 보면 시편을 제외한 부분에서는 온도기울기가 같다는 것을 알 수 있고, 시편 부분에서는 시편에 의해 온도가 갑자기 떨어져 온도기울기가 달라지는 것을 알 수 있다.
이를 바탕으로 아직 모르고 있는 표면 위아래의 온도를 구하기 위해 전체30mm간격에서의 평균온도차와 5mm간격에서의 온도차를 이용한 비례식을 사용할 수 있다. 5mm간격의 온도차를 구하여 ④,⑤의 온도를 각각 빼고 더해서 표면 위아래 온도를 구하면 △T를 적용시킬 수 있다.
결과적으로 두 번째로 구한 푸리에 열전도 법칙의 k를 제외한 나머지 값들을 먼저 구한 열량법칙의 열전달율 값에 넘겨서 나누어 주면 열전도도 k값을 구할 수 있다. 그리고 두 번째 시편 또한 같은 방법으로 계산을 할 수 있다.
두 개의 시편에 대한 열전도도 k값을 보면 각각 3.94 [W/m℃], 2.13 [W/m℃]이 결과 값으로 나왔는데, 이 결과 값으로 실험을 한 물질이 무엇인지를 찾아내는 것도 중요한 부분이다.
처음에는 결과 값을 잘못 계산해서 13.2 정도 나왔는데 이 결과 값으로 물질을 책에서 찾아보았다. 금속 물질 중에 stainless steels(스테인레스강) 종류가 거의 값이 비슷하였다. 예비 보고서를 썼을 때 찾았던 자료를 보면 열전도도 측정 실험에서 주로 쓰이는 물질이 알루미늄, 스테인레스, 구리 등이라고 나와 있었고, 그래서 스테인레스가 확실한 줄 알았다.
그러나 계산을 잘못해 결과 값이 아니라는 것을 알고 계산을 다시 했는데 3.94, 2.13정도가 나왔고, 이 값으로 금속 물질 중에서는 책에서 찾을 수 없었다. 그래서 조교님을 찾아가 사이트를 물어 보았고, 그 사이트로 찾아본 결과 30가지의 종류가 나왔다. 거기서 확실한 값으로 물질을 찾을 수가 없게 범위가 있는 물질도 있어서 실험한 물질을 정확히 정할 수 없었지만 열전도도를 이렇게 실험을 통해서 구할 수 있다는 것을 안 것만 해도 큰 도움이 된 것 같다.
결과 값을 보면 3.94와 2.13으로 나왔는데 두께는 다르지만 같은 물질이므로 같은 결과 값이 나와야 하지만 결과 값은 조금 다르게 나왔다. 그러나 조교님이 말씀하셨듯이 1W/m℃ 정도 차이는 무시해도 상관없다고 하셨기 때문에 실험은 잘 측정이 됐다고 생각한다.
약간의 오차가 생긴 것은 여러 가지 원인이 있겠지만, 먼저 실험을 여러 번해서 오차를 줄인 것이 아니라 한 번의 실험으로 측정을 했기 때문이라고 생각한다. 그리고 온도의 범위가 다르고, 정상상태 도달이 될 때까지를 기다리고 실험을 해야 한다는 것도 오차의 원인일 것이다. 그리고 압력이 다르다는 것 또한 원인에 포함될 것이다.
실험 당시에 들었던 이론 중에 이해가 가지 않았던 내용이 한 가지 있었는데 조교님에게 찾아가 물어 본 것은 V와 A부분이 연관되고, 설정 온도가 정상상태에 도달하는 것을 제어 하는 온도 제어 부분이었다. 앞에서 말한 오차의 원인 중에 온도의 정상상태 도달에 관한 부분이 이와 관련된 부분이다. 설정온도 130℃에서 처음에는 온도 제어기가 On/Off를 하면서 큰 차이를 보이지만 시간이 지남에 따라 설정온도까지 안정된다는 내용이었다.
측정하는 것은 쉬웠지만, 이 실험을 통해서 알고 있던 이론도 다시 사용해 볼 수 있었고, 단위환산도 여러 가지 단위를 사용하여 환산을 해 볼 수 있었다. 그리고 이론적으로 배울 수 있는 부분이 많았던 실험이었다.

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