열역학실험 | 복사열 전달

 

 

 

TIP

 

 

복사열전달의 개념을 이용하여 물질 표면의 평균유효방사율(Mean Effective Emissivity)을 구하는 목적으로서, 복사열전달 실험 기구(Radiation Heat Transfer Experimental Apparatus)를 이용하여 측정할 것이다. 이 때 우리가 최종적으로 구하게 될 계산값은 평균유효방사율으로 복사열전달을 공부하는데 있어 기본이며 가장 중요한 과정의 하나이다. 하지만 방사율을 정확하게 측정하는 것은 시험하는 시편 이외의 표면으로부터의 복사로 인해 매우 어렵다. 우리는 실험을 통해 측정해보고, 각각의 파라미터와의 관계도 알아본다. 마지막으로 평균유효방사율을 구하는 실험에 대한 전반적인 내용을 서로 검토 및 고찰해 보고자 한다.

 

 

 

Stefan-Boltzmann 법칙

슈테판-볼츠만의 법칙은 흑체의 단위 표면적에서 방출되는 모든 파장의 빛에너지의 총합 I는, 흑체의 절대 온도 T의 4제곱에 비례한다는 법칙이다. 여기서 흑체란 모든 파장의 복사를 전부 흡수해 버리는 물체다. 이 법칙은 슈테판이 실험적으로 알아내었고, 볼츠만이 열역학 이론에 의하여 유도하였다. 열역학은 세 가지 기본 법칙을 토대로 열전달현상에 관한 기본 원리 및 그 응용을 연구하는 고전 물리학의 한 부문이다.

 

열역학의 제1법칙은 에너지 보존의 원리이다. 제2법칙, 제3법칙은 절대 영도에는 도달할 수 없다는 것을 보여 주는 법칙이다. 슈테판은 1879년에 온도 복사의 연구를 시작하여 슈테판의 법칙을 발견하였다. 그의 강의를 듣고 한때 그의 조수를 지냈던 볼츠만이 5년 뒤에 이것을 이론적으로 증명하여 바로 이 '슈테판-볼츠만의 법칙'을 세웠다.

 

볼츠만은 기체 분자 ns동에 관한 맥스웰 이론을 고치고, 속도 분포의 법칙을 확률론에 의하여 나타냈다. 일생 동안 기체 운동론, 통계 역학의 형성에 힘쓴 그는 '슈테판-볼츠만의 법칙' '볼츠만의 방정식' '볼츠만의 원리' 등 중요한 법칙과 원리를 잇달아 제시하여 이론 물리학의 발전에 큰 업적을 남겼다. 이들이 남긴 '슈테판-볼츠만의 법칙'은 후에 양자론 개막의 한 계기를 마련하는 등 물리학에서 중요한 역학을 담당하였다.

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실험 방법

1. 사전작업 - 형상계수의 결정 : F

1) 고정용 볼트로 복사계부와 원추형 차폐기를 고정한다.

 

2) 복사계와 평행하게 시편 가열기를 설치한다.

 

3) 보기 각도가 시편의 표면의 범위에 맞도록 그림을 그려 점검하면서 복사계부, 원추 형 차폐기, 그리고 시편가열기를 서로 정확하게 배치시킨다.

 

4) 실험은 형상계수를 다양하게 바꾸면서 수행할 수 있다.

 

2. 시편표면온도의 결정

1) 전기 가열기와 온도제어기를 이용하여 시편을 일정한 온도로 유지한다. 온도를 변 화시켜 가면서 실험을 수행한다.

 

2) 실험은 각 설정 온도가 일정하게 유지되는 상태에서 수행한다. (전원 공급은 100-110V, 50Hz, sindle phase를 이용한다.)

 

3. 측정

1) 먼저 실험은 거리 L을 변화 시키면서, 동시에 히터에 공급되는 전압을 변화시켜 히 터의 온도를 변화시킨다. 이에 따른 평균유효방사율 값을 얻어낸다.

 

2) 실험은 시간을 두어 실험장치가 정상상태를 유지하도록 한다.

 

3) 정상상태는 2분 간격으로 t₁ 0.01 이상 바뀌지 않을 때이며, 정상상태가 되었으면 그 상태에서 Thermo Taps Selector을 돌려가며 t₁, t₂, E_MV (R)을 각각 측정한다.

T₀ = t₀ + 273   T_R = t_R + 273

 

 

 

[열역학실험]복사열 전달 레포트