열유체 공학 실험 – 열전도율 측정[철과 알루미늄, 구리를 이용하여 시험편의 열전도율 측정]

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1. 실험목적

열전달 현상은 전도(conduction), 대류(convection), 복사(radiation)로 대별되며 이 중 전도는 고체 물질에서 온도차가 있는 경우 고온부에서 저온부로의 열 이동 현상을 일컫는다. 이 때 물질의 열전도율(thermal conductivity)이 전달되는 열량을 결정한다. 이러한 열전도율에 따라 물질이 사용되는 용도가 크게 달라질 수 있다. 예를 들어 열전도율이 큰 물질은 신속한 열전달이 요구되는 곳에 사용되며 열전도율이 낮은 물질은 단열재로 사용될 것이다.
본 실험에서는 열전도율이 알려진 철과 알루미늄, 구리를 이용하여 시험편의 열전도율을 구함으로써, 열전도현상을 이해하는데 목적이 있다.

※참고그림 – 열전도율이 낮은 스테인리스 식판

2. 이론
2.1 열전도율 측정 방법

그림 9.1 열전도율 측정 실험장치 개략도

열전도 측정 장치의 테스트 부는 그림에 나타난 바와 같다. 고체 봉(solid bar)형태의 표준열전도체 양쪽에 디스크 형태의 시험편이 두 개 삽입되어 있다. 실험 시 표준열전도체의 상단부는 히터에 의해 가열되므로 고온이 되고, 또한 실린더에 압축공기를 가하여 시험편에 압력을 가한다. 상하부의 온도차에 의한 열전달은 고체내부를 통하므로 전도에 의한 열전달이 주요 현상이다. 봉의 주위는 단열재로 단열되어 있으므로 축방향의 일차원 열유동 으로 해석할 수 있다.
여기서 시험편의 열전도율은 다음의 식으로 정의 된다.

열과 전기의 유사성 관점에서 전기회로에서 전압, 전류 및 저항의 관계를 사용하여 열저항 R〓 를 도입하여 정리하면

이때 열저항(thermal resistance) R은 시편의 열저항 와 접촉면의 열저항 의 합이다. 여기에 오차 보정계수 F를 도입하면 다음과 같이 표현된다.

(9.1)

위 식을 이용하여 시험편의 열저항 을 구하면, 다음 관계식을 이용하여 시험편의 열전도율 을 계산할 수 있다.

(9.2)
식(9.1)의 두 상수 와 는 실험장치의 영점을 맞춤으로써 구할 수 있다. 식(9.1)은 가 선형적인 관계에 있음을 나타낸다. 즉, 기울기 F 와 y축 절편 를 가지는 직선의 방정식이다.

열전도율을 알고 있는 두 개의 표준 시험편(I, II)을 이용하여 온도(T1, T2), Heat Flux q, 시험편 두께 를 측정하여 다음…(생략)

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