실험 목적

열전도율 실험에서 중요한 조건은 접촉 열 저항을 고려하는 것으로 재료의 열전도율을 구하고 이론 치와 비교 해보면서 재료의 열전도율에 따른 사용 예와 적용방식 메커니즘에 대해서 생각해 보는 것이 이번 실험 목적이다.

실험 이론 및 원리

1. 열전도

열에너지가 물질의 이동을 수반하지 않고 고온부에서 저온부로 연속적으로 전달되는 현상. 주로 고체 내부에서 일어난다. 물질의 종류에 따라 전도되는 속도가 크게 다르므로 이를 연전도도로 표시하여 나타낸다. 열전도는 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는데 대표적인 예가 금속막대의 한쪽 끝을 가열하면 가열되는 부분부터 순차적으로 뜨거워질 때라든지, 온도가 다른 물체를 서로 접촉시켜 열 이동이 일어나는 경우가 대표적인 예이다.

액체나 기체 내부의 열 이동은 주로 대류에 의한 것이지만 고체 내부의 경우에는 주로 열전도에 의해서 열이 이동하는데 이것은 금속의 한쪽 끝을 가열하면 가열된 부분의 원자들이 에너지를 얻어 진동하게 되는 것이다. 이러한 진동이 순차적으로 옆의 원자를 진동시켜 열전도가 일어나게 되는 것이다. 열전도에 의해 물체 내부에서 열이 전달 속도는 물질 종류에 따라 큰 차이가 있다. 예를 들면 구리, 철과 같은 도체인 경우에는 열이 매우 빠르게 전달되지만 황, 플라스틱과 같은 절연체인 물질의 경우에는 느리게 전달된다. 또 액체, 기체는 고체에 비해 열전도가 매우 느리고 그 일부에 가해진 열을 전체 확산시키는 것이 어렵다.

2. Fourier 법칙

전도에 의해 열이 x방향으로 이동하는 경우의 단위 시간 당 전열량 (열이 동속도, 열전달 속도, 전열 속도) Q는 열의 흐름에 수직인 전열 면적 A와 그 온도구배 (dt/dx)에 비례한다는 법칙이다.

q : 열전달 속도 (w)

ΔQ : 열량 (W/sec)

A : 단면적 (㎡)

Δt : 추진력 (온도차 : ℃)

θ : 미소시간 (sec)

k :열전도도 (w/m℃)

l : 두께 (m)

R : 열 저항 (℃/W)

전도에 의한 열 흐름의 기본 관계는 등온표면을 통과하는 열 흐름 속도와 그 표면에서의 온도 구배 간의 비례이다. 한 물체 내 어느 위치에서 그리고 어느 시간에 적용될 수 있도록 일반화된 것을 Fourier 법칙이라 하고, 열전도의 기본 법칙으로 정상상태 혹은 비정상상태에도 적용되는 식이다. 또 비례상수 k를 물질의 열전도도라 한다. Fourier 법칙은 다음과 같이 쓸 수 있다.

위 식에서 편도함수는 온도가 위치와 시간 양자에 따라 변할 수 있다는 사실에 주의를 환기시키는 것이다. 그리고 음(-) 부호는 열 흐름이 뜨거운 곳으로부터 찬 곳으로 일어나고 또 구배의 부호는 열 흐름에 반대라는 물리적 사실을 반영하는 것이다.

위 식이 특별히 등온표면의 경로에 적용될지라도 임의 표면 즉, 필연적으로 등온이 아닌 표면을 통과하는 직각으로 측정된 것이다. 이 Fourier 법칙의 확장은 2차원 또는 3차원 흐름의 연구에도 유용하다. 이 때 열 흐름은 직선 대신 곡선을 따라 흐르게 된다. 1차원 열 흐름은 1차원 유체흐름과 유사하고 경로 길이를 측정하는 데 하나의 선생 좌표만이 필요하게 된다.

3. 열 접촉 저항의 개념

평면을 갖는 두 개의 고체가 각각의 평면이 서로 접촉을 이루고 한 표면이 다른 표면을 압축하고 있는 경우를 고려해 보자. 이들 두 표면 사이에 직접 접촉은 실제로 매우 제한된 수의 점들에서만 이루어지고 있으며 그 이유는 이 표면들이 완벽하게 평면을 이루지 못하고 실제로 어느 정도의 미세한 거칠기를 갖고 있기 때문이다. 이 결과 이들 표면은 완전 열 접촉 상태가 있지 않다. 이 표면들 사이의 틈은 주위 유체로 채워져 있으며 이 유체가 공기인 경우가 보통이다.

이와 같은 계면을 통과 하는 열 흐름은 두 개의 열전도 경로를 따라 이루어지며 그 하나는 틈을 채우고 있는 엷은 유체 층이고 다른 경로는 금속 대 금속의 직접 접촉을 이루는 접점들이다. 공기의 열전도율은 금속의 열전도율보다 매우 작으며 따라서 계면의 틈을 채우는 엷은 공기층은 열 흐름에 대해 열 저항으로 작용된다. 그리고 이 저항은 두 표면 사이의 매우 엷은 층에 한정되어 있기 때문에 이 저항을 열 접촉저항이라고 한다. 또 계면의 열 접촉저항의 역수를 계면 열 접촉전도도라고 하며 그 단위는 W/(m2․℃) 이다.

4. 접촉저항이 있을 때의 열전도도

ΔtR : 기준통의 온도차 (℃)

Δta : a 시편의 온도차 (℃)

La : a 시편의 길이 (m)

LR : 기준통의 길이 (m)

KR : 기준통의 열전도도 (W/mk)

Δtb : b 시편의 온도차 (℃)

Lb : b 시편의 길이 (m)

5. 열의 이동

화학 공정에서는 가열, 냉각, 증발, 증류, 건조, 응축 등 열이 자발적으로 고온 쪽에서 저온 쪽으로 이동하는 현상이 많이 이용된다. 이러한 현상을 열전달이라 하고 이를 위한 장치를 전열 장치라고 한다.

1) 정상상태 : 열의 축적 없이 그 열전달 속도가 일정하게 유지되는 흐름

2) 비정상 상태 : 열의 축적이 있어서 열전달 속도가 시간에 따라 변하는 상태

3) 열전달 과정에서 열수지식 : 열 유입 속도 + 열 생성 속도 = 열 배출 속도 + 열 축적 속도

만약 에너지의 생성이 없는 정상상태의 시스템이면 열 유입 속도 = 열 배출 속도가 된다.

6. 열전달의 기본 메커니즘

열전달은 전도, 대류 및 복사의 어느 하나 또는 이들의 복합에 의하여 이루어진다. 300℃ 이하에서는 주로 전도와 대류에 의해 이동이 이루어진다. 화학공정에서는 주로 고체 벽을 통한 2종류의 유체간의 열 이동이다.

1) 전도 : 고체 또는 정지된 유체 내에 온도차가 있을 때 분자의 열운동에 의해 에너지가 전달되는 과정 즉, 분자 자신은 이동하지 않으면서 그 분자가 가지고 있는 진동 및 회전 에너지가 인접한 분자에 전해지는 것이다. 고체, 액체 및 기체 등 모든 물체에서 일어난다.

2) 대류 : 액체나 기체 등 유체의 분자 자신이 이동하면서 열을 전달하는 것으로 고온인 지점의 유체가 저온인 곳으로 이동하면서 열이 전달되어야 하기 때문에 이동이 가능한 기체나 액체와 같은 유체에서만 일어날 수 있다.

3) 복사 : 전자기파에 의한 에너지의 이동으로 열전달 매체가 없어도 이루어진다. 모든 물체는 0 K 이상이면 절대온도의 4승에 비례하는 전자기파를 발생하고 이 전자기파가 다른 물질에 부딪히면 흡수, 반사 및 투과가 일어나는데 흡수된 에너지 중 일부가 열로 전환된다.

7. 열전도도

열전도도는 물질 고유의 물성치로서 소위 한 물질의 전달 특성 중 하나이다. 공학단위계에서는 q가 W 또는 Btu/h로, dT/dn은 ℃/m 또는 ℉/ft로 측정된다. 그래서 k의 단위는 W/m․℃ 또는 Btu/ft2h(℉/ft)이다. Fourier 법칙은 k가 온도구배에 무관하나 온도 자체에는 필연적으로 무관한 것은 아님을 나타내고 있다.

실험에 의해 광범위한 온도구배에서 k의 독립성이 확증되나 다공성 고체만은 제외된다. 이 다공성 고체는 선형온도법칙에 따르지 않고 입자간 복사가 전체 열 흐름 량에 중요한 몫을 차지하게 된다. 이와 반대로 k는 온도의 함수이나 강함수는 아니다. 좁은 범위의 온도에서 k는 일정하다고 생각할 수 있다. 큰 온도구간에서 k는 다음 형태의 식에 의해 추정할 수 있다.

k = a + bT

여기서 a와 b는 실험상수이다. 열전도도는 고체, 액체, 기체의 순으로 적어진다.

실험 기구 및 장치

1. 실험 장치 구성

열전도 실험장치


온도조절장치 : 재료 실험값을 얻어 내기 위한 온도를 조절 할 수 있는 장치. 온도에 따른 열전도를 얻어내기 위해서는 필요한 장치이다.	열 센서는 스탠더드 실린더에 10개가 꽂혀있다. 열 센서의 각각의 온도를 측정 할 수 있는 온도 측정 장치가 열 센서별로 10개의 온도 측정 장치가 있다.


온도측정 temp : 온도 측정 장치는 1번~10번까지 있고 이 온도 측정 장치로 우리가 필요한 각각의 재료 시편의 온도를 측정 할 수 있다. 시편을 넣을 수 있는 곳은 4번~5번 사이와 6번~7번 사이에서 온도 변화를 측정 할 수 있다.	냉각수 라인: 냉각수 라인은 냉각수가 들어가는 입구와 배출되는 배출구가 있다. 위쪽 밸브라인이 냉각수 입구고 아래쪽 밸브라인이 냉각수 배출구다. 이는 냉각수가 위쪽에서부터 아래쪽으로 자연스럽게 흘러 내려 갈 수 있게 설치되어 있는 것을 알 수 있다.

유량계 : 냉각수 유량을 측정할 수 있는 유량계이다. 정확한 실험을 위해 냉각수가 얼마의 유량으로 들어오고 배출되는지 알고 냉각수 유량을 일정하게 유지 할 수 있다.

표준실린더 : 재료의 실험값 측정을 위해 재료를 고정해주는 실린더


시험편 : 열전도 실험을 위해 필요한 시험편이다. 열전도 시험 봉에 고정시켜 온도를 높여주면 각 재료의 열전도도를 알 수 있다.	시험편 : 우리가 실험한 시편은 스테인리스로 열전도도는 14.9W/m․k이다. 두께는 4mm와 2mm이고 지름은 40φ이다.