실험보고서 - 열전도도 실험

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실험보고서 - 열전도도 실험에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

를 (8)식으로부터 구하면 (10, 11, 12)에서
------------------------------ (13)
따라서 시험편의 실제 열전도도 k는
------------------------------------- (14)
여기서
---------------- (15)
∴ ---------- (16)
Cu와 SUS 304의 접촉표면에서의 열저항을 무시한다면, SUS 304의 열전도 값은 Fourier 법칙을 이용, 1차원 정상상태에서 Heat flux(q/A)가 일정하다는 것을 이용하여 다음 식을 이용하여 열전도도 값을 구할 수 있다.
(첨자 R은 Cu, x는 SUS 304, λ는 열전도도, Δt는 온도변화, L은 재료의 길이)
SUS 304의 열전도도 값은 - (1)
위의 식 (1)은 SUS 304의 순수한 저항에 의한 열전도도가 아니라 Cu의 접촉저항이 관여되어 있으므로 순수한 SUS 304의 열전도도를 구하기 위해 접촉저항에 의한 오차를 보정한다.
접촉저항을 Rc, 시편a의 저항을 Ra, 시편b의 저항을 Rb, 시편a의 두께를 La, 시편b의 두께를 Lb 라고 할 때,
시편 a,b의 총저항은
Ra' = 2Rc+Ra , Rb' = 2Rc+Rb
Lb > La 이면, 저항은 길이에 비례하므로 Rb' > Ra' 이다.
따라서 Rb' - Ra' = Rb - Ra 이다.
정상상태일 때, 이므로
이다. 따라서 Rb - Ra 는 두께가 Lb - La 인 원하는 시료의 저항값을 나타낸다.
이다.
( 와 은 접촉면의 두께가 무시할 때, 총저항에 대한 열전도도값)
Rb', Ra' 을 식 (1)에 대입하면
이 되고 λ에 대해 풀면,
∴
와 은 식 (1)를 이용하여 구하면 다음과 같다.
∴
3. 실험장치 및 도구
본 장치는 열전도에 관한 기초사항을 열전도 실험장치의 비교법에 의한 측정으로 열의 전도를 쉽게 이해할 수 있도록 제작되었으며, 시편(Test Piece)의 두께(Thickness)를 변화하여 실험을 행할 수 있게 설계 제작되었다.
※ 실험장치(HH19A) 사양
Model
Spec.
HH19A
Metal Specimen
Standard DiscTemperatureHeaterThermo DetectorLow Temp. SourceTemp. ControllerSelector SwitchTemp. Indicator
Φ40mm × 4tΦ40mm × 2tΦ40mm - BrassRT ＋10℃∼200℃Immersion Heater, 1.2Kw or More C.A ThermocoupleCity-waterSSR Controller12 PointsDigital Indicator
선 택 사 양
PC, Out Signal, A/D Converter
4. 실험방법 및 순서
시험편을 기준 봉 사이에 밀착하여 고정하고 냉각수가 일정하게 흐르도록 밸브로 조절한 후 유량계의 유량을 기록한다.
② 전원을 220V, 단상 60Hz에 연결한 후 “ON"한다.
③ 온도를 서서히 올려 일정한 열류가 같은 밀도로 흐를 수 있도록 조절한다.
④ 정상상태에 완전히 도달한 후 온도선택 스위치로 각점의 온도를 계측 기록한다.
⑤ 측정치에 의하여 계산식에 대입하여 λ의 값을 구한다.
⑥ 온도선택 스위치에 의한 온도측정은 Setting Temp, 100℃, 130℃, 160℃에서 각각 5회 이상 측정하여 그 평균치로써 데이터를 구한다.
⑦ 측정이 완료되면 Heater의 온도를 서서히 하강시켜 온도가 50℃ 이하가 되면 냉각수의 공급을 정지시킨다.(Heater의 온도가 급강하하는 일이 없도록 특히 주의할 것)
⑧ 전원을 OFF한다.
5. 실험결과
온도
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7
t8
t9
t10
100℃
93.4
91.7
89.8
88.2
44.0
43.2
21.9
20.5
19.2
18.1
/
1.7
1.9
1.6
/
/
/
1.4
1.3
1.1
/
130℃
121.6
119.4
116.8
114.5
53.7
52.4
23.1
21.4
19.8
18.5
/
2.2
2.6
2.3
/
/
/
1.7
1.6
1.3
/
100℃, 130℃ 실험 (평균값에 의한 그래프)
<거리에 따른 온도변화 그래프>
실험식 계산과정
= 4.0mm (와 사이에 위치한 SUS304의 두께)
= 2.0mm (와 사이에 위치한 SUS304의 두께)
= 30mm (과 사이의 두께)
= 320 kcal/mhr℃(Cu의 열전도도)
을 대입하여 를 구한다.
1) 실험 온도 100℃
일때 이므로
일때
일때 이므로 일때 이므로
일때
①
②
③
④
2) 실험 온도 130℃
일때 이므로
일때
일때 이므로 일때 이므로
일때
①
②
③
④
6.고찰
이번 실험에서 열전달 현상과 온도구배를 통해서 다른 시편을 통과할 때 온도가 저하되는 원리와 Fourier 열전도법칙을 응용하여 시편의 열전달 계수를 구하고 시편이 어떤 금속인지 열전달계수를 통해서 알아보았다.
실험 결과를 보면 온도강하의 모습을 보면 구간별로 거의 일정하다. 하지만 각 구간의 온도차이가 극심하게 나타나는데 이것은 접촉저항이 크게 발생하였기 때문이다.
또 SUS 304의 이론적 열전도도 값은 14.6kcal/m hr℃인데 실제 측정값을 대입하여 구한 열전도도는 이론값에 비하여 아주 적은 값이 나왔다. 이런 결과가 나온 것에 대해 여러 가지 이유가 있겠지만 먼저 실험을 하면서 온도를 올리는데 무척이나 시간이 오래 걸렸고 또 정확하게 100℃, 130℃를 맞추기가 어려워서 그 온도에 거의 비슷하게 도착했을 때 측정을 하였다. 그리고 실험을 하는데 있어서 시간적 제한으로 가장 정상상태에 접근했다고 생각되는 시점에서의 온도구배를 기록하였다. 또한, 시편과 시편을 투입하는 틈이 정확하게 맞아야 하는데 실제로는 정확하게 맞지 않아 공기의 유입으로 인한 열손실이 발생했을거라는 생각을 한다. 이런 과정을 통해 온도변화를 정확하게 측정하기가 어려웠던 것 같다.
오차의 원인
1) 기구의 단열이 완벽하게 이루어지지 않았다.
2) 정상상태의 조건 - 계산과정에서 정상상태라고 가정하고 Heat flux가 같다고 가정하고 값들을 계산하였는데, 오차로 인해 완벽하게 정상상태를 유지되었다고 볼 수가 없다.

키워드

열전달,   열전도도 실험,   열전달 현상