1. 목적본 실험의 실제 유체의 유동은 점성에 의한 마찰로 인해 이상유체의 유동보다 대단히 복잡하다. (점성의 영향은 유동을 방해한다.)점성 유동은 층류와 난류로 구분된다. 본 실험은 파이프안 유체의 유동 상태와 레이놀즈수와의 관계를 이해하고, 층류와 난류의 개념을 이해하며, 레이놀즈수를 계산하는 데 목적이 있다.2. 이론- 유체• 액체, 기체, 증기 등을 통틀어서 일컫는 말이다.• 유체는 고체와 달리 그 형태가 쉽게 변화되며 일정량의 유체의 모양을 변형시키려고 하면 유체의 얇은 층이 다른 층을 미끄러져서 마침내 새로운 모양이 이루어진다. 이러한 변형 중에는 전단응력(shear stress)이 나타나게 되는데 그 크기는 유체의 점도(viscosity)와 미끄럼 속도에 따라 달라진다. 그러나 일단 새로운 모양이 형성되면 모든 전단응력은 소멸된다. 이때 유체는 평형상태에 있다고 말한다. 평형 유체에는 전단응력이 없다. 주어진 온도와 압력에서 유체의 밀도는 일정한 값을 가진다.• 온도와 압력을 다소 변화시켰을 때 밀도가 별로 변화하지 않는 유체는 비압축성유체(uncompressible fluid)라 하고, 밀도가 민감하게 변화하는 것은 압축성유체(compressible fluid)라 한다.<중 략>6. 결론이 실험은 레이놀즈 실험장치를 사용하여 실제 유체의 흐름 상태를 가시화하여 시각적으로 층류와 난류의 유동 상태를 관찰하고, 유량을 측정하여 레이놀즈수를 측정해보는 실험이었다. 레이놀즈 실험장치에 검은색 잉크를 흘려보내어 유체의 흐름을 직접 볼 수 있는 장치이다.층류부터 관찰하기 위해 유량조절밸브로 유량을 낮게 조절하여 잉크가 직선을 이루는 형태를 만드려 노력했다. 층류의 경우 레이놀즈수가 2100보다 작아야 하는데 우리 조는 레이놀즈수가 2100을 넘는 2833.7이 나왔다.다음은 유동이 층류에서 난류로 천이(transition)되는 지점에서의 레이놀즈수인 상임계 레이놀즈수(critical Reynolds number)를 측정하기 위해 층류에서 난류로 가기전의 상태를 조절하려 노력했다.
ReportTitle: 고체의 열전도도 측정1. 목적- 열손실의 계산, 보온 보냉 재료의 선택, 화학 장치 보온재 선택 등의 기초 자료로서 상대적으로 고체의 열전도도를 정상 상태의 열이동으로부터 구하고 전도에 의한 열전달을 이해한다.2. 이론*열전달메카니즘열이 전달되는 방법으로는 전도(Conduction), 대류(Convention), 복사(Radiation)의세가지가 있다.-전도: 열에너지가 큰 입자(높은 온도)로부터 에너지가 작은 입자(낮은 온도)로 전달격자진동에 의한 것과 자유전자의 흐름에 의한 것이 있다.기본식 - Fourier’s lawq~=~-kA {dt} over {dL}-대류: 고체 표면에 접한 유체의 흐름 사이에서 유체입자의 충돌로 전달기본식 ? Newton’s law of cooling-복사: 원자나 분자의 전자상태가 바뀌면서 방출하는 전자파 또는 광자의 형태로전달되므로 열전달의 중간매개체가 불필요하다. 복사에너지의 전달은 빛의 속도로전달되므로 전달 속도가 빠르고 전공의 통과하여도 지장이 없다.기본식 ? Stefan-Boltzmann’s law*Fourier’s law등온표면을 통과하는 열흐름 속도는 온도구배에 비례한다.{dq} over {dA} =-k {dT} over {dL}q = 표면에 직각방향으로의 열흐름(속도)A = 표면적T = 온도L = 표면에 직각으로 측정된 거리k = 열전도도등방성 물질에서 3방향 열흐름에 대한 Fourier법칙의 일반표현은 다음과 같다.{dq} over {dA} =-k( {sigmaT} over {sigmax} + {sigmaT} over {sigmay} + {sigmaT} over {sigmaz} )=-k TRIANGLET{dq} over {dA}는 온도구배TRIANGLET에 비례하고 그 방향은 반대이다. 그래서 등방성 물질에서 열은온도 하강방향으로 전도에 의해 흐른다.*열전도도비례상수 k는 해당 물질의 한 물성이고 열전도도라 부른다.Fourier’s law는 k가 온도구배에 무관하나 온도 자체에는 필연적으로서 k의 독립성은 확증되나다공성 고체만은 제외된다. 이 다공성 고체에서 선형온도 법칙에 따르지 않는 입자간복사가, 전체 열흐름 양에 중요한 몫을 차지한다. 이와 반대로 k는 온도의 함수이나약간의 기체를 제외하고 함수는 아니다. 좁은 범위 온도에서 k는 일정하다고 생각할 수 있다. 큰 온도 구간에서 k는 다음 형태의 식에 의해 추정될 수 있다.k=a+bt (여기서 a와 b는 실험상수)일반적으로t CENTIGRADE에서의 열전도도k _{0}와 온도 t의 함수로서 다음식으로 정리k=k _{0} (1+at)온도계수 a는 물질에 따라 +값(보온재), -값(금속)을 가진다.정상상태 열전도에서q=-kA {dt} over {dL}앞서 구한 k 값을 위 식에 대입하여 적분q int _{L _{1}} ^{L _{2}} {{dL} over {A} =k _{0} (t _{1} -t _{2} )(1+a {t _{1} +t _{2}} over {2}} )여기서 전열면적 A가 일정하고, 온도범위t _{1}~t _{2}에서의 열전도도의 평균값을 kq= {Ak TRIANGLEt} over {L _{2} -L _{1}} = {Ak TRIANGLEt} over {NABLAL} = {TRIANGLEt} over {NABLAL/kA}이 식으로부터 대류와 복사가 없는 순수한 전도에 의한 고체의 열전도도를구할 수 있다.*본 실험에 적용기준관(첨자 R), 시험편(첨자 X)q=k _{R} {A TRIANGLEt _{R}} over {L _{R}} =k _{x} {A TRIANGLEt _{x}} over {L _{x}}위 식에서 A는 일정하므로k _{x}는 다음식으로 나타낸다.k _{x} = {TRIANGLEt _{R}} over {TRIANGLEt _{x}} {L _{x}} over {L {} LSUB {R}} k _{R}보통의 경우, 기준관과 시험편의 접촉면은 아무리 밀착시켜도 공기 등에 의한열전도 저항이 존재하게 되며 이의 보정이 필요하다.R _{0}를 접촉면 저항,R _{a},R _{b}를 두께L me} =2R _{0} +R _{a}#R _{b}^{prime} =2R _{0} +R _{b}여기서 시험편 a,b는 재질은 동일하며, 두께만 다르다.따라서,R _{b prime} -R _{a prime} ~=~R _{b} -R _{a}여기서 저항은R=L/kA이므로R _{b} -R _{a} ~=~ {1} over {k} {L _{b} -L _{a}} over {A}R _{a prime} ~=~ {1} over {k _{a}} {L _{a}} over {A} ~,~~R _{b prime} ~=~ {1} over {k _{b}} {L _{b}} over {A}여기서,R _{a'},R _{b prime}는 각 시험편 저항과 접촉면 저항이다.k _{a'},k _{b prime}를k _{x}식으로구하면{1} over {A} ( {L _{b}} over {k _{b.}} - {L _{a}} over {k _{a.}} )~=~ {L _{b} -L _{a}} over {kA}k= {L _{b} -L _{a}} over {{L _{b}} over {k _{b prime}} - {L _{a}} over {k _{a prime}}}k _{a} ~=~ {DELTAt _{R}} over {DELTAt _{a}} {L _{a}} over {L _{R}} k _{R} ~,~~k _{b} ~=~ {DELTAt _{R}} over {DELTAt _{b}} {L _{b}} over {L _{R}} k _{R}, 두께는3. 실험기구 및 시약위의 사진과 같은 실험장치실험편4. 실험방법1. 시험편을 장치의 a(2mm두께), b(4mm두께)에 각각 설치하고 유량계를 통하여 냉각수를 일정량 하부로 흘려 보낸다.2. 전원을 넣은 후 온도조절계로 일정온도를 올려 주고 냉각수량을 조절한다.3. Panel의 온도지시계의 온도를 순서대로 읽고, 정상 상태의 값을 시험 결과로 기록한다. 시험을 4번 행한다.4. 시험편을 바꾸어 위의 과정을 되풀이 실험한다.5. 실험결과재질유량(l/min)기준층 온도작도로 구함계산5} ,#t _{6} ,t _{7} ,t _{8} ,t _{9} ,t _{10}TRIANGLEt _{a}TRIANGLEt _{b}TRIANGLEt _{R}k' _{a}k prime _{b}k황동171,67,66,63,45,47,34,34,33,3218131.74.032.797.25스텐171,67,66,64,53,53,38,38,39,3611151.55.822.13-7.95황동269,65,64,61,43,43,31,30,30,2818121.84.263.206.37스텐272,68,67,65,51,51,36,35,36,3314151.75.182.42-36.86TRIANGLEt _{R}={TRIANGLEt _{1} + TRIANGLEt + LSUB {2} TRIANGLEt _{3} + TRIANGLEt _{4} + TRIANGLEt _{5} + TRIANGLEt _{6}} over {6}k _{a} ~=~ {DELTAt _{R}} over {DELTAt _{a}} {L _{a}} over {L _{R}} k _{R} ~k _{b} ~=~ {DELTAt _{R}} over {DELTAt _{b}} {L _{b}} over {L _{R}} k _{R}k= {L _{b} -L _{a}} over {{L _{b}} over {k _{b prime}} - {L _{a}} over {k _{a prime}}}y=-2.5x+73y=-0.7x+39.2황동 유량 1의 경우TRIANGLEt _{a}=18,TRIANGLEt _{b}=13TRIANGLEt _{R}=1.7k _{a} = {1.7} over {18} {4} over {30} 320=4.03k _{b} = {1.7} over {13} {2} over {30} 320=2.79k= {2-4} over {{2} over {2.79} - {4} over {4.03}} =7.25y=-0.5x+42y=-2.2x+72.5스텐 유량 1의 경우TRIANGLEt _{a}=11,TRIANGLEt _{b}=15TRIANGLEt _{R}=1.5k _0=5.82k _{b} = {1.5} over {15} {2} over {30} 320=2.13k= {2-4} over {{2} over {0.081} - {4} over {0.118}} =-7.95y=-2.5x+71y=-0.9x+37.4황동 유량 2의 경우TRIANGLEt _{a}=18,TRIANGLEt _{b}=12TRIANGLEt _{R}=1.8k _{a} = {1.8} over {18} {4} over {30} 320=4.26k _{b} = {1.2} over {12} {2} over {30} 320=3.20k= {2-4} over {{2} over {3.2} - {4} over {4.26}} =6.37y=-2.2x+73.5y=-0.8x+41.8스텐 유량 2의 경우TRIANGLEt _{a}=14,TRIANGLEt _{b}=15TRIANGLEt _{R}=1.7k _{a} = {1.7} over {14} {4} over {30} 320=5.18k _{b} = {1.7} over {15} {2} over {30} 320=2.42k= {2-4} over {{2} over {2.42} - {4} over {5.18}} =-36.86열전도도(k) 문헌값 (kcal/ CENTIGRADE)구리황동스테인리스32085.12146. 고찰이번 실험은 열전도도를 알고 있는 기준편 Cu와 열전도도를 모르는 시험편 황동, 스테인리스 물체 내의 온도구배의 의해 열에너지가 이동하고 상이한 시편의 접촉저항을 포함한 정상상태의 열전도현상을 이용하여 열전도도를 구하는 실험이다.황동과 스테인리스의 거리에 따른 온도 그래프를 보면 열흐름거리가 길어짐에 따라 온도가 감소하는 전도에 의한 열흐름의 기본관계를 확인할 수 있다.하지만 열전도도의 문헌값과 실험값을 비교하면 확연하게 다른 결과를 확인할 수 있었다.이러한 오차가 발생한 원인은? 시험편과 기준관 사이의 결함기준관 사이에 시험편을 끼우는 방식이라서 시험편이 기준관 중앙에 들어 갔는지 알 수 없으며, 기준관과 시험편을 아무리 밀착시켜도 완벽하다.
ReportTitle: 증류수-페놀 임계공용온도.1. 목적1) Binary liquid system에 있어서 온도-용해도 곡선을 작성하려 한다.2) 이 실험에서는 물과 페놀을 각종 비율로 혼합하여 상호 용해도를 측정하고 이 계의 임계공용(용해)온도를 조사한다. 물-페놀계에서 매우 희석되면 완전 동일상이 되고, 농도가 짙으면 불균일상이 된다.2. 이론두 액체가 서로 포화되어 두 액상이 평형을 유지할 때, 각 액상에 대한 또 다른 액체의 용해도를 상호 용해도라 한다.＊임계용해온도(critical solution temperature)상호 용해도의 값은 일반적으로 온도가 높아짐에 따라 점점 접근하여 어떤 온도에서 일치한다. 즉 두 상의 조성이 같게 되어 액체가 균일상이 된다. 이 온도를 임계용해(공용)온도라 한다.(1) 두 종류의 액체를 혼합하면 그 종류에 따라,? 균일한 1상 : 물-에탄올? 서로 다른 일부를 녹이는 2상 : 물-페놀, 물-아닐린? 전혀 서로 용해되지 않는 2상 : 물-수은(2) 온도가 높아짐에 따라 도달하는 임계공용(용해)온도를 상부 임계용해(공용)온도 (upper critical solution temperature), 온도가 낮아짐에 따라 도달하는 임계용해(공용)온도를 하부 임계용해(공용)온도 (lower critical solution temperature)라 한다. 양쪽 다 있는 경우도 있다. (물-니코틴)그림 1에서와같이 2조성 중 1계가 희박하면 단일상이 된다. 또 온도가 상승하면 용해도도 상승하고 t c(임계점) 이상의 고온에서는 1상이 된다.온도가 높으면 용해도가 높으며 ??는 임계용해도이다.그림 2에서 a점은H _{2} O〈phenol, a´점은H _{2} O >phenol의 경우이고, 또 점 x의 혼합물(백탁)을 가열하면 온도가 상승하여 균일상으로 된다. 즉 투명해진다. 그때, 온도를t _{1}이라 한다. 균일상을 냉각하면 2상의 백탁이 된다. 그때 온도를t _{2} 라 하면t _{c} 는 다음과 같이 된다.t _{c} = {t _{1} +t _{2}} over {2}2종의 액체가 서로의 용해도에 도달하여 공존하고 있을 때가 평형상태이고, 2성분 계에서는 상호 용해도를 측정하여 구한다.페놀-증류수의 상호 용해도는 물과 페놀을 혼합한 후 열을 가하여 하나의 상이 되었을 때 온도를 상부 임계공용온도라 하고, 온도를 하강시켜 하나의 상이 되었을 때를 하부 임계공용온도라 한다. 이때 임계용해온도는 상부 임계공용온도와 하부 임계공용온도 합의 평균이다.3. 실험기구 및 시약시험관, 마개, 저울, 온도계, 교반기, 스포이드, 비커, burner, 페놀, 증류수, 피펫, 삼발이, 석면철망, clamp4. 실험방법(1) 시료 혼합액을 다음과 같이 만든다.페놀 20%, 40%, 60%, 70%용액(wt%)예) 페놀10% : 증류수 9g에 페놀 1g을 혼합한다.(2) 시료 혼합액을 넣은 시험관을 그림과 같이 비커 내의 물에 넣는다.(3) 조용히 가열하면서 교반기를 상하로 움직여 시험관이 고루 가열되게 한다. 처음에는 물의 온도가 대략 55℃될 때까지 대담하게 가열한 후 서서히 그리고 정확하게가열하여 온도가 상승하고 백탁이 없어져 균일상으로 되었을 때의 온도({ t}_{1 })를 기록한다. 이때의 온도를 이 농도에 있어서의 용해온도라 한다.(4) 불을 끄고 조용히 교반기를 상하로 움직이며 냉각시키면 재차 백탁이 생기게 된다. 이때의 온도를{ t}_{2}라 기록한다.(5) 각 시료에 대해서 이상의 조작을 2~3회 행하여 평균온도를 구하고 횡축을 농도, 종축을 용해온도로 하여 그래프를 그린다.＊주의 : 페놀은 피부를 상하게 하므로 특히 주의하여 취급해야한다.그림. 실험장치5. 실험결과페놀의 비율을 달리한 혼합물 용액의 상부 임계공용온도와 하부 임계공용온도를 측정하고 그 값을 이용하여 임계용해온도를 아래의 표1에 정리하였다.표1. 페놀의 비율에 따른 온도페놀비율20%40%60%70%1st2ndavg1st2ndavg1st2ndavg1st2ndavgt_{ 1}(CENTIGRADE)625960.5656*************36t_{ 2}(CENTIGRADE)615859.5636463.5505452333031.5T_{ c}(CENTIGRADE)61.558.5606464.564.351.5555333.53433.8표1의 임계용해온도를 이용하여 용해도 곡선 그래프1을 만들었다.그래프1. 실험값 용해도 곡선추세선식 (y=-0.0271x ^{2}+1.9491x+31.414)을 이용하여 40CENTIGRADE에서 페놀 비율 값은8.548, -1.356 두 개가 나온다.실험값을 문헌값{}^{1}과 비교하여 용해도 곡선 그래프2를 만들었다.그래프2. 실험값과 문헌값의 용해도 곡선오차(LEFT | {실험값-문헌값} over {문헌값} RIGHT | *100)20%:LEFT | {60-62.74} over {62.74} RIGHT | *100=4.36%40%:LEFT | {64.5-65.49} over {65.49} RIGHT | *100=1.51%60%:LEFT | {53-54.83} over {54.83} RIGHT | *100=3.34%70%:LEFT | {33.8-30} over {30} RIGHT | *100=12.67%문헌값{}^{1})THE MUTUAL SOLUBILITY OF LIQUIDS. III. THE MUTUAL SOLUBILITY OF PHENOL AND WATER. IV. THE MUTUAL SOLUBILITY OF NORMAL BUTYL ALCOHOL AND WATERBy Arthur E. Hill and William M. Malisoff16. 결론이번 실험을 통하여 혼합용액의 용해도 곡선이 뒤집어진 U의 형태로 나타났다.용해도 곡선의 추세선 식을 이용하여 하나의 온도에 있는 페놀 비율 값 2개를 찾을 수 있었다.페놀과 물이 쉽게 섞이지 않는 이유는 무엇일까?이유는 페놀의 구조에 있다. 페놀은 벤젠 고리에 수소원자(H) 하나가 -OH 로 치환된 구조이다. 페놀에 벤젠고리와 -OH 가 모두 있지만 -OH에 비해 벤젠고리의 영향력이 더 크기 때문에 물에 녹긴 하지만 잘 녹지는 않는 것이다.
ReportTitle: 탱크로부터의 액체 유출.1. 목적화학공학의 중요한 부분인 유체 역학은 그 흐름을 고려하여야 한다. 공업공정을 제어하려면, 공정에 들어가고 나가는 물질의 양을 알아야 한다. 물질은 가능하면 액체의 형태로 수송하므로, 파이프나 기타 유로에서 유체가 흐르는 양을 측정하는 것이 중요하며, 유체의 속도에 따라서 양이 달라지므로 속도 측정 역시 중요하다.에너지 수지 및 물질 수지로부터 탱크에서의 액체 유출시간에 대한 이론 식을 유도해 보고, 이것을 실험하고 나서 이를 실험결과와 비교하여 이론 식을 유도할 때 도입한 여러 가지 가정의 영향을 검토한다. 이때, 도입한 여러 가지 가정이 어떠한 영향을 끼치는지를 알아보도록 한다.2. 이론이 실험에서는 물과 같은 액체가 가지고 있는 위치에너지가 운동에너지로 바뀌는 현상을 관찰할 수 있다.수직으로 놓여있는 사각형의 탱크로부터 탱크 밑에 붙어있는 관을 통해 뉴턴 액체가 흘러나올 때 에너지 수지식은 다음과 같다.u ^{2} = {2gR _{0} (L+H)} over {(R _{0} +2L CIRCf)} -----식(1)u = 관내의 평균 유속 (Flow rate) (cm/s)f = 마찰계수 (Coefficient of friction)g = 중력가속도 (Gravity acceleration) (cm/s ^{2})H = 탱크의 액면 높이 (Height) (cm)L = 관의 길이 (Length) (cm)R _{0}= 관의 반경 (Radius) (cm)* 유체가 흐를 때 안정되었는지, 교란되었는지를 구분한다. 수평 상태의 안정된 유체의 흐름을 층류라고 하며, 교란되어 복잡한 흐름을 하는 것을 난류라고 한다. 유체가 흐르는 관의 길이와 반경을 측정하여, 유체의 유출시간에 따라 층류와 난류를 구분한다.1) 층류f= {16} over {N _{Re}}이므로 식(1)에 대입하여 정리하면u ^{2} = {2gR _{0} (L+H)} over {(R _{0} +16 muL/(uR _{0} rho))}-----식(2)rho=액체의 밀도(Density) (g/cm ^{3})mu=액체의 점도(Viscosity) (g/cm*s)2) 난류Blasius식에 의하여f= {0.0791} over {(N _{Re} ) ^{0.25}} ,`4000
고체의 열전도도 측정
