화학공학실험 | 고체의 열전도도

 

 

 

TIP

 

 

고체의 열전도 현상에 대한 이론과 열손실의 계산, 화학 장치 등의 보온·보냉 재료에 따른 선택의 기초 자료로서 상대적인 고체의 열전도도를 이해한다. 이에 따른 열전도도의 측정 방법을 습득하고, 정상 상태의 열 이동으로부터 열전도도를 구하고 전도에 의한 열전달 현상을 이해하도록 한다.

 

 

 

전도란 같은 물체 중에서나 또는 접촉하고 있는 다른 물체 사이에 온도차가 있으면 정지하고 있는 유체의 경우에는 분자의 운동 또는 고온부에서 저온부로 열전달이 일어나는 현상으로, 분자 자신은 진동만 하고 이동은 하지 않는다. 고체를 통해 일어나는 열전도도식은 Fourier의 법칙에 의하여 적용되면 열흐름의 수직인 면적과 온도구배의 곱에 비례한다는 법칙이다.

 

열의 개념을 이해하고, 열 흐름 메카니즘을 이해할 수 있다 그로 인한 고체들의 열전도도와 열저항을 측정함으로써 전도에 의한 열전달과 Fourier's Law을 이해하고 사용하는데 열전도도 실험의 목적이 있다. 따라서 어떠한 열원으로부터 열을 받아서 정상상태의 열 이동으로부터 열전도도를 구하고 전도에 의한 열전달 현상을 이해하도록 한다.

 

 

열전도(Heat Conduction)

1. 구성원자에 의한 것

물체는 원자들이 일정한 형태를 가지고 배열되어 있습니다.그런 삼차원 배열구조를 격자(Lattice)라고 부르고 원자들이 열을 받았을 때 제자리에서 진동하게 되면 이런 진동이 원자를 사이에서 전달되는 것을 격자 진동이라고 합니다. 즉 격자진동이 빠르게 이루어지는 물질들이 열전달을 잘하는 것입니다. 대부분의 부도체(일반고체)는 격자 진동에 의한 열전달만 합니다.

 

2. 자유 전자의 열이동

모든 물질은 원자 내부에 전자를 가지고 있습니다 이중에서 금속은 원자 배열 내부를 자유로이 움직이는 자유전자가 있습니다 이런 자유전자들은 전기장을 걸어주면 전류를 형성하기도 하고 열을 가하면 열을 받아 그 운동이 커지고 금속의 원자 배열 내부를 격렬하게 돌아다니면서 이리저리 충돌하면서 결과적으로 열을 전달 합니다.

 

따라서 자유전자의 수가 높으면 열전도도가 높습니다 금속은 격자진동과 자유전자라는 두 가지 방법으로 열전달을 합니다 따라서 다른 일반고체(부도체)보다 큰 열전도도를 갖게 됩니다. 그러나 구성원자의 진동에 의해 높은 열전도도를 가진 경우에는 부도체의 경우일지라도 높은 열전도도를 가질 수 있습니다. 그 대표적인 예가 다이아몬드입니다. 또 하나의 예가 알루미늄 설명을 쉽게하기 위해 예를 들겠습니다.

 

3. 기체의 열의 이동

분자들의 충돌에 의해 열전도가 이루어지는 기체에서는 분자사이의 거리가 멀어 충돌수가 적어지고 결과적으로 열전도도가 다른 물질에 비해 낮습니다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 시험편을 장치의 a(2㎜), b(4㎜)에 각각 설치하고 기준관과 시험편을 밀착시켜준다,

 

2) 유량계를 통하여 냉각수를 일정하게 하부로 흘려 보낸다.

 

3) 전원을 넣고 온도 조절기의 설정 다이얼을 실험온도에 맞추고 냉각수량을 조절한다.

 

4) 항온조의 교반기가 작동하는지를 확인한다.

 

5) 모든 조작이 정상적이면 시간이 경과된 후 heater가 자동적으로 항온을 유지 하게 되며 온도 측정 실험을 한다.

 

6) 온도지시계의 전환 스튀치를 전환하여 온도를 읽고 정상상태 값을 기록한다. 시험을 3회 반복 한다.

 

7) 시험편을 바꿔 위의 방법과 같이 동일하게 실험한다.

 

8) 실험이 끝나면 모든 pipe line의 물을 배수시켜 준다.

 

 

 

[화학공학실험]고체의 열전도도 실험 레포트