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선형 열전도 예비

실험제목예비 Report선형 열전도 실험반조실험목적1) 균일한 평판 벽을 통하여 정상 상태 에너지의 전도가 일어 날 때 온도 분포를 측정하고 열 흐름의 변화의 영향을 설 명할 수 있다.2) 정상 상태의 열전도가 진행될 때, 상이한 재료가 직렬로 포 개진 막대에서 Fourier Rate Equation을 이용해 총괄 열전 달 계수 k를 구할 수 있다.학번성명기기 및 초자HT10XC Heat Transfer Service UnitHT11C Computer Compatible Linear Heat Conduction Accessory이론적 배경1. 열전달 종류- 열의 이동 : 열역학 제 0법칙에서 온도가 다른 두 물체를 접촉시켰을 때, 고온의 물질에서 저온의 물질로 열이 이동하면서 열평형을 이루게 되는 것이다.- 열전달 : 열평형을 이루기 위해서는 열이 임의의 단면을 통과해서 이동해야 하며, 이러한 이동을 가리킨다. 열은 부피나 무게가 없이 단지 온도 차이에 의해서 이동하는데, 열은 항상 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동하며 온도가 높은 곳에서 빠져나온 에너지가 온도가 낮은 곳으로 전달되는데, 이 과정에서 에너지는 보존된다. 열 확산, 열 손실, 열방사, 열관류 등이 있고, 이를 총칭하여 열전달의 방법을 크게 전도, 대류, 복사의 세 가지로 분류할 수 있다.- 전도 : 물체를 이루고 있는 원자나 전자들의 충돌에 의해 에너지가 확산되는 과정이다. 물체 내에서의 온도구배로 인해 이웃한 분자 사이에서 열에너지가 이동하는 현상이며, Fourier 법칙과 관련 되어 있다.- 대류 : 물체의 경계에서 고체와 외부유체 사이의 열전달 현상이다. 대류는 유체의 운동(흐름)과 관련된 열전달 현상이며, 이 흐름의 원인에 따라 자연대류와 강제대류, 두 가지로 분류한다. 자연대류는 뉴턴의 법칙으로 정의되는데, 뉴턴의 냉각 법칙은 물체가 냉각되는 비율은 물체와 그 주위의 온도차에 비례한다는 법칙으로, 온도 θ의 고체 표면에서 온도 t라는 주위 유체에 대한 dt시간의 열전달량 dQ, 또는 dt시간에 냉각하는 온도 dT는 온도차(θ-t)에 비례한다고 하는 근사 법칙을 말한다. 열전달량의 시간적 변화 dQ/dt 또는 냉각 속도 dT/dt가 (θ-t)에 비례하므로 열전달 계수를 α로 하면 단위 표면적에 대하여 dQ=α(θ-t)dt와 같은 식이 얻어진다.- 복사 : 열에너지를 가진 물체가 전자기파를 방출하면서 공간적으로 떨어진 곳에 에너지를 전달하는 과정이다. 관련 법칙으로는 슈테판 볼츠만 법칙이 있고, 이는 흑체의 단위 표면적에서 방출되는 모든 파장의 빛에너지의 총합 I는, 흑체의 절대 온도 T의 4제곱에 비례한다는 법칙이다. 이 법칙은 I=σT4이라는 식으로 표현되며, σ는 비례 상수로, 슈테판-볼츠만의 상수라고 불린다.2. 열전도(자세하게)- 열전도 : 물체의 내부에너지가 입자들끼리의 충돌에 의해 물체 내에서 또는 접촉해 있는 다른 물체로 한 곳에서 다른 곳으로 이동하는 것이다. 물질의 직접적인 이동을 수반하지 않고 접촉하고 있는 두 물체의 온도차에 의해서 고온부에서 저온부로 연속적으로 열(에너지)이 전달되며 주로 고체 내부에서 일어나는 현상이다. 전도는 한 물체 내에서도 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 일어날 수도 있고, 제3의 물체를 매개로 하여 일어날 수도 있다.? 열전도도 : 물질의 종류에 따라 전도되는 속도가 크게 다르기에 표시하여 나타내기 위한 정도이다. 열전도도는 물체의 고유한 성질로, 높은 열전도도를 가진 물질일수록 열에너지를 더 잘 전달한다. 이와 유사하지만 다른 개념으로 열전도율이 있는데, 열전도율은 구체적인 크기와 모양을 가진 물체가 실제로 열을 전달하는 정도를 뜻한다. 즉, 열전도도가 같은 물질로 만든 물체라도 크기와 모양이 달라지면 실제 열전도율은 달라진다. 열전도도 k값이 큰 물질은 좋은 열 전도체이며, k값이 작은 물질은 좋은 열 전열체이다. 보통 금속은 k값이 높은 좋은 열 전도체이다. 반면 공기는 k값이 작아 좋은 열 절연체중 하나이다. 열전도도 의 단위가 W/mK이므로, 열전도율의 단위는 W/K가 된다.전도는 기체, 액체, 고체 모두에서 일어날 수 있지만, 기체나 액체는 대류와 함께 일어나는 경우가 많다. 대류가 없는 경우, 기체나 액체에서는 분자들의 충돌과 느린 확산에 의해 전도가 일어나며, 고체에서는 원자들의 진동, 자유전자의 충돌에 의해 전도가 일어나고, 기체에서는 분자들 사이가 멀어서 액체나 고체보다 충돌이 적게 일어나므로 전도가 잘 일어나지 않는다. 고체는 바로 인접한 원자들끼리 계속 함께 떨리고, 전자들의 충돌이 훨씬 잦아서 전도가 잘 일어난다.한 물체 내에서 단위시간에 전도에 의해 전달되는 열에너지의 양(TRIANGLE Q)은 온도의 차이(TRIANGLE T)에 비례한다. 그리고 열전도가 일어나는 통로의 단면적(A)에 비례하고, 열전도가 일어나는 통로의 길이(L)에 반비례한다. 이를 식으로 나타내면,{TRIANGLE Q} over {TRIANGLE t} `=`k {A} over {L} TRIANGLE T 이다. 여기서k는 열전도도라 불리는 양이며, 물질마다 고유한 값을 갖는다. 좌변의 단위는 J/s = W이므로, 열전도도의 단위는 W/m?K이다. 일반적으로 열전도도는 온도에 따라 변한다. 물체의 크기와 모양에 따라 변하는k {A} over {L} 는 열전도율이라 부른다.3. 정상상태, 비정상상태- 정상상태 : 물체의 운동 상태가 시간의 흐름에 따라 변하지 않고 그대로인 상태이다. 유체의 경우 시간의 변화에 따라 유체 내 각점의 속도가 변하지 않는 것을 말하며 열전도의 경우 열의 진행이 없는 것을 의미한다. 정상상태에서의 열전달은 열전달 과정에서 열의 축적이 없을 때, 열전달 속도가 일정하게 유지 될 때이며 열이 유입되는 속도와 열이 유출되는 속도가 같을 때 즉 열평형 상태이다.- 비정상상태 : 열전달이 발생하면 물체와 주위가 동일한 온도에 놓일 때까지 시간에 따라 열의 흐름을 유발하는 조건, 열의 흐름 속도, 특히 온도분포가 계속 변화하는데 이러한 과도적인 변화 상태이다. 열전달이 발생하면 초기 일정시간 동안 비정상상태를 거쳐 최종적으로 열평형상태인 정상상태에 도달하게 된다.4. Fourier 법칙- Fourier 법칙 : 열전도에 있어서의 기본 법칙으로 물체 내에 온도 차이가 있어 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 열이 흐를 때, 열의 흐름에 직각 방향인 면을 생각하면, 그 면을 단위 시간당 통과하는 열량Q (kcal/hr)는 접촉된 단면적A (m2)에 비례하는 것을 나타낸 법칙이다. 즉,{TRIANGLE Q} over {TRIANGLE t} =-KA {TRIANGLE T} over {TRIANGLE x}로 나타낼 수 있다. 마이너스 부호의 의미는 열이 온도 기울기의 마이너스 방향으로 흐름을 나타내주는 것이다. 비례 상수K (kcal/mㆍhrㆍdeg)는 그 물질의 열전도율이라고 일컬어진다. 예를 들면 일정한 굵기의 막대 한끝에서 다른 끝으로 전도에 의해 열이 흐를 때, 막대 양끝의 온도가T _{1,`} `T _{2}, 막대의 단면적이A, 길이가L이라면, 단위 시간당 열 전달량은Q`=-kA {T _{2} -T _{1}} over {L} 로 나타낼 수 있다. 여기서 비례상수 k는 재료의 열전도계수로서 재료의 열전도 능력을 나타내는 크기이다. 양질의 전기 전도체인 구리, 은과 같은 재료들은 또한 좋은 열전도체 이므로 k 값이 크다. 고무, 나무, 스티로폼과 같은 재료들은 나쁜 열전도체 이므로 k 값이 작다.어떤 고체 내부에서 온도변화가 있으면, 온도차에 의해 열이 전달(전도)되는데. 이때 열 전달률(단위시간당 전달되는 열에너지)은 푸리에의 열전도법칙으로 표시된다. 이 법칙에 의하면 열은 온도가 낮아지는 방향으로 전달되고, 열전달률은 열전도도, 온도구배(단위 길이 당 온도변화)와 열이 전달되는 넓이에 비례하며, 열이 전달되는 부분의 두께에 반비례한다.실험방법1. 1) 컴퓨터에서 ‘HT11C’ 프로그램을 클릭한다.2) Power on을 누르고 컨트롤러에 불이 들어옴을 확인한다.3) 냉각수의 속도를 제어해주는 Flow Control과 열원부의 열을 높여주는 Heater Control을 이용해 설정하려는 V값(이번 실험에서는 9V, 12V, 17V, 21V)과 냉각수의 유속(이번 실험에서는 1.0L/min)으로 설정해준다.4) 기둥부에서 측정된 온도 값이 창 오른쪽에 뜨면, (전체적 계략도 이므로 냉각수가 아래로 들어가는 것임을 참고) 온도가 안정화되어 변화가 없을 때까지 관찰한다.5) 온도가 안정화되면, Go 버튼을 눌러 기록한다.6) View table을 눌러 측정된 값을 확인한다.7) V 값을 각각 9V, 12V, 17V, 21V로 변경하며 실험 5),6),7) 과정을 반복한다.2.

공학/기술| 2020.04.25| 4페이지| 2,000원| 조회(166)

화공실험, 예비레포트, 선형 열전도 실험

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