[실험보고서]고체의 열전도도

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목차

1. 실험제목 : 고체의 열전도도

2. 실험 목적

3. 이론적 배경
(1) 열(Heat)
(2) 열 흐름(Heat flow)
(3) 전도(Conduction)
(4) Fourier`s Law
(5) 열저항(Thermal resistance)
(6) Cylindrical coordinates (원통 좌표계)
(7) slab 에서의 열전달 (1차원, 단일매질, 내무열원이 없음, 단일층)
(8) Cylinder 에서의 열전달
(9) 열 접촉 저항
(10) 전 열전달 계수

4. 실험방법

5. Data 정리
1) Linear module (bar)
2) Radial module (disk)
6. 계산과정
1) Bar
2) Disk
7. 비교 및 고찰

본문내용

10 × 10-3m
Q
센서①
센서②
센서③
센서④
센서⑤
센서⑥
센서⑦
센서⑧
센서⑨
[W]
[1㎝]
[2㎝]
[3㎝]
[4㎝]
[5㎝]
[6㎝]
[7㎝]
[8㎝]
[9㎝]
6.8
66.9
66.7
66.0
38.3
37.0
36.0
22.1
21.3
21.0
5.4
59.3
59.2
58.4
35.3
34.4
33.5
21.8
21.1
20.9
4.8
55.1
54.9
54.0
33.6
32.7
32.0
21.7
21.1
20.8
4.2
51.3
51.2
50.4
42.0
31.3
30.7
21.6
21.0
20.8
Q[w]
구간
구간
구간
구간
구간
구간
구간
구간
①~②
②~③
③~④
④~⑤
⑤~⑥
⑥~⑦
⑦~⑧
⑧~⑨
-ΔT
0.2
0.7
27.7
1.3
1
13.9
0.8
0.3
6.8
K
692.99
198.00
5.00
106.61
138.60
9.97
173.25
462.00
R
0.029
0.103
4.076
0.191
0.147
2.044
0.118
0.044
-ΔT
0.1
0.8
23.1
0.9
0.9
11.7
0.7
0.2
5.4
K
1100.64
137.58
4.76
122.29
122.29
9.41
157.23
550.32
R
0.019
0.148
4.282
0.167
0.167
2.166
0.130
0.037
-ΔT
0.2
0.9
20.4
0.9
0.7
10.3
0.6
0.3
4.8
K
489.17
108.70
4.80
108.70
139.76
9.50
163.06
326.11
R
0.042
0.188
4.246
0.188
0.146
2.145
0.125
0.063
-ΔT
0.1
0.8
8.4
10.7
0.6
9.1
0.6
0.2
4.2
K
856.05
107.01
10.19
8.00
142.68
9.41
142.68
428.03
R
0.024
0.190
2.000
2.548
0.143
2.166
0.143
0.048
2) Radial module (disk)
D = 110mm
Interval = 10mm
Thick = 3mm = h
Q
센서①
센서②
센서③
센서④
센서⑤
센서⑥
[W]
[1㎝]
[2㎝]
[3㎝]
[4㎝]
[5㎝]
[6㎝]
6.8
24.4
23.7
22.1
21.4
20.6
20.1
5.4
23.7
23.1
21.8
21.2
20.5
20.1
4.8
23.2
22.7
21.5
21.1
20.4
20.0
4.2
22.9
22.4
21.4
21.0
20.4
20.0
Q[w]
구간
구간
구간
구간
구간
①~②
②~③
③~④
④~⑤
⑤~⑥
-ΔT
0.7
1.6
0.7
0.8
0.5
6.8
K
357.40
156.36
357.40
312.73
500.36
R
0.103
0.235
0.103
0.118
0.074
-ΔT
0.6
1.3
0.6
0.7
0.4
5.4
K
331.12
152.83
331.12
283.82
496.68
R
0.111
0.241
0.111
0.130
0.074
-ΔT
0.5
1.2
0.4
0.7
0.4
4.8
K
353.20
147.17
441.50
252.28
441.50
R
0.104
0.250
0.083
0.146
0.083
-ΔT
0.5
1.0
0.4
0.6
0.4
4.2
K
309.05
154.52
386.31
257.54
386.31
R
0.119
0.238
0.095
0.143
0.095
6. 계산과정
1) Bar
구간 ②～③에서
, ,
2) Disk
구간 ②～③에서
,
7. 비교 및 고찰
위의 그래프는 열량을 다르게 하여 열원이 공급되는 지접으로부터 1㎝씩 떨어진 지점에서 센서를 달아 온도를 측정한 것과 각 구간 사이의 온도차를 표시하였다. 열원이 공급되는 점에서 멀어질 수 록 온도가 감소함을 알 수가 있었다. 이유는 고체 면적이 커지면서 저항이 커지기 때문이다. ③～④구간과 ⑥～⑦구간에서 그래프를 잘 보면 온도가 급격히 감소하여 온도차가 크게 남을 볼 수 있다. 이 구간에서 온도가 급격히 감소한 이유는 고체가 완전히 접촉하지 못해 열접촉저항이 생겨서 인 것 같다. 하지만 4.2W에서 ④～⑤구간에서 온도차가 제일 높은데 아마도 우리조가 그 부분에서 실험을 잘못 한것 같다는 생각이 든다.
위의 그래프와 좌측의 그래프를 보게되면 센서의 온도차로 계산한 열전도도(k)와 그에 따른 열저항(R)의 값을 구간에 따라 나타낸 것이다. 식에서 , 가 클수록 k는 작아지게 된다. 그래프에서도 구간 ③～④, ⑥～⑦에서 온도가 급격히 떨어져 열전도도가 확연히 감소하는게 보인다. k와 반대로 저항은(R)은 온도가 급격히 감소하는 곳에서 R이 최대가 되는게 보인다. 그러므로 저항(R)이 열전도도를 방해하는게 실험해서 알 수 있었다.
위의 그래프에서도 Bar와 마찬가지로 구간 ②～③, 구간④～⑤에서 온도차가 극격히 나타났다. 열전도도도 낮게 측정되었고 그때의 저항은 다른 구간에서보다 높게 나타났다.
그래서 구간 ②～③, 구간 ④～⑤에서도 열접촉저항이 생겼음을 예상했다.
8. 관찰사항
이번실험은 단순하지만 실험이 오래 걸려서 약간은 지루했다. 이 앞번 실험까지는 1학기에 배운 유체역학의 내용을 실험했는데 이번에는 2학기에 배우고 있는 열전달을 실험했는데 어렵거나 힘들지 않았다.
Bar에서 Q를 6.8에 두고 온도가 올라가는데 무려 1시간 40분정도가 걸렸다. 그리고 Q를 조금씩 내리면서 온도를 안정화 시키는데 30~40분의 시간이 걸렸다. 하지만 교수님께서 Q값을최고 7.5에서 최저 5.5로 하라고 하셨는데 그 말을 잊어버려서 우리 조는 4이상 7이하에서 실험을 하는 실수를 하고 말았다. 그래서 4.2W에서 열접촉저항이 없는 구간에서 온도차가 너무크게 나지 않았나 생각된다.
말로만 듣던 열접촉저항이 얼마나 열을 이동시키는데 장애가 되는지를 확인했고, 그걸 극복하기위해서 수업때 압력을 높게 하거나, 온도차를 크게하거나, 미세한 구멍에 공기대신에 다른 열이 잘 전달되는 물질을 삽입 등 을 해야한다고 배웠는데, 이번 실험에서는 압력이나, 다른물질 삽입은 불가능 했고 온도만을 가지고 실험이 가능했는데, 온도가 높을 때 온도차나 저항이 크게 나타나지만 전달되는 열도 온도가 낮을 때 보다 더 많이 이동된다는 것을 알게 되었다.

키워드

고체의 열전도도,   열전도도,   열전달,   실험보고서