열전달 실험 보고서

<열전달 실험 보고서>

 

1. 전도 열전달을 응용한 예

 

  -온돌

 

온돌은 아궁이에서 불을 때어 달구어진 공기가 구들장 아래를 지나며 방바닥을 데우고 굴뚝으로 연기가 빠지게 만들어 놓은 장치이다. 방바닥이 데워질 때 전도열전달이 일어난다. 현대에는 온수 보일러를 이용하여 방바닥을 데우고 있다.

 

-이중창 

이중창은 유리창을 이중으로 만들어 가운데 열전도율이 낮은 공기층 을 형성해 실내의 공기를 효과적으로 단열시키기위한 장치이다.

-다리미

전기 저항으로 열을 발생시켜 아래 쇠 부분을 열전도현상을 이용해 달구어 옷감의 주름을 펼 때 이용한다.

 

-충전식 손난로

 

 다리미와 같은 원리지만 필요한 열이 적으므로 크기가 줄어들고 충전해 휴대용으로 사용할 수 있다. 저항으로 비롯한 열이 기기에 열을 전달하는 것과 기기에서 발생한 열이 피부표면을 통과하여 몸속으로 들어올 때 열전도현상이 일어난다.

 -부지깽이의 손잡이

 

이중창과 같은 원리로 열전도율이 낮은 나무를 부지깽이의 손잡이로 사용함으로 써 모닥불을 지필 때 용이하게 하였다.

2. 실험 목적

 

 이 실험은 열전달의 한 종류인 열전도 현상을 이해하기 위하여 실시한다. 구체적으로는 실험을 통하여 도출된 결과 값을 고찰하여 1차원 열전도에 대한 Fourier 열전도 법칙에 대한 이해도를 높이는 데에 있다.

 

3. 실험 방법

사진6.전기 가열기                  사진7.온도, 전류, 전압 측정기(h112)              

사진8.측정대상물의 샘플.

 먼저 측정 대상의 샘플(사진8.)을 선형 열전도도 실험장치 가운데에 넣고 단단히 잠근다. 냉각수 파이프를 연결하고(사진6.장치의 하단) 냉각수가 제대로 흘러가는지 확인한다. h112(사진7.)에 선형 실험장치(사진6.)으로부터 비롯한 열전대를 연결한다.

 이후 암페어와 볼트값을 설정하고 채널을 바꾸어가며 온도를 기록한다.(h112의 가운데 화면에 나타남) 측정한 온도로 샘플의 열전도도 값을 구한다. 이를 검정(황동), 파랑, 빨강 샘플 순으로 진행하고 빨강과 파랑 샘플의 경우 열전도도 결과 값을 이용하여 알루미늄과 스테인리스 여부를 구분하여본다.

 

4. 그래프 및 분석(x축 : 거리, y축 : 온도)

(1) 검정(그림2.)

 

황동의 변위(mm)에 따른 온도(℃) 그래프.

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(2) 파랑(그림3.)

스테인리스의 변위(mm)에 따른 온도(℃) 그래프.

 

(3) 빨강(그림4.)

알루미늄의 변위(mm)에 따른 온도(℃) 그래프.

5. 결론 및 고찰

 

 먼저 k 값의 대소를 비교하여 두 번째 실험 샘플(파랑)이 알루미늄이고 세 번째 실험 샘플(빨강)이 스테인리스라는 사실을 알 수 있다. 대소비교는 가능하지만 이론값과의 비교는 힘들었다. 열전도율의 값이 이론값과 상당한 오차가 있기 때문이다. 

 가장 큰 오차는 세 번째 실험에서 나타났다. 실험 내에서 균일한 값을 유지해야할 열전도도 실험장치 내부의 k 값이 첫 번째와 두 번째 실험 때와 다르게 나타났기 때문이다. 이는 실험장치 내에 잔열이 남아있어 T1과 T3사이 온도차가 적어졌으므로 일어난 현상임을 추측해볼 수 있다. 더 정확히 실험하기 위해서는 실험이 끝나고 나면 실험장치를 식히고 나서 다시 실험을 하는 것이 좋을 것이다.

 두 번째 실험에서 상대적으로 오차가 적었던 이유는 황동과 알루미늄간의 열전도도 차이가 황동과 스테인리스간의 열전도도 차이보다 작기 때문일 것이다. 또한 열전달율이 정상상태에 이르지 못한 것도 오차의 요인이 될 수 있다. 이번 실험에서는 황동을 제외하고는 30분만 샘플을 가열하였으므로 정상상태에 가까워졌다고 보기 힘들다. 

 또한 빨강과 파랑 샘플을 사용할 때는 사진6.에서 보이는 바와 같이 샘플 주위가 제대로 단열이 되지 않게 된다. 따라서 검은색 샘플(황동)을 사용하였을 때보다 주변 열원으로부터 더 큰 영향을 받았을 것이다. (동시에 황동 샘플에만 열전대가 설치되어 있었고 나머지 두 샘플은 추세선을 통하여 값을 추정하였던 것도 오차의 요인이 되었다.)

 실험의 정확도를 올리려면 단열을 완벽히 하거나 샘플의 두께대비 단면적을 늘려야 할 것이다. 그러나 정확도는 올라가지만 실험장비의 가격이 올라가고 정상상태에 가까워지기 위해 더 오랜 시간을 소모하게 될 것이다. 한가지 더 생각해 볼만한 점은 바로 냉각수의 온도이다. 더 정확한 실험을 위해서는 냉각수의 온도가 일정하였는지도 실험 중간 중간에 점검해야한다.

*주의: 실제 보고서의 내용에서 약간의 내용을 생략하였으며, 위 글은 양식에 맞추어 쓴 것이 아닙니다.*