일반물리학 실험 - 열전도도 측정
1. 실험 제목 : 열전도도
2. 목적
- 고체의 열전도도 측정을 통하여 열전도 현상 및 열전도 방정식을 이해하고 고체 내에서 전도되는 열량의 측정 방법을 익힌다.
3. 이론
열전도도 [熱傳導度, thermal conductivity]
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열의 전달 정도를 나타내는 물질에 관한 상수. 열전도율이라고도 한다. 물체 내부 임의의 점에서 등온면(等溫面)의 단위면적을 지나 이것과 수직으로 단위시간에 통과하는 열량과 이 방향의 온도 기울기와의 비를 말한다. 즉, 열의 전달 정도를 나타내는 물질에 관한 상수인데, 온도나 압력에 따라 달라진다. 등방성 물질의 경우에는 스칼라량, 비등방성 물질의 경우에는 텐서량이 된다. 특히 금속은 자유전자에 의한 열전도 때문에 큰 값을 가지며, 열전도도와 전기전도도 사이에는 비데만-프란츠의 법칙이 성립한다. 열전도도는 밀도, 비열, 점도에 의해 영향을 받는다. 옷감을 예를 들면 열전도도가 큰 아마섬유는 시원한 섬유이고, 열전도도가 작은 양모는 가장 따뜻한 섬유이다. - 네이버 사전 -
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물체를 통하여 전달된 열량은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
즉,
여기서 는 전도된 전체 에너지, 는 열이 통과하는 단면적, 는 물체의 양끝면 사이의 온도차, 는 전도 시간, 는 물체의 두께 등을 의미하며 비례상수 는 주어진 물체의 열전도도로 정의된다.
위의 식으로부터
로 나타낼 수 있으므로 우변의 여러 변수를 측정하면 를 구할 수 있다.
측정하고자 하는 고체를 얇은 판 형태로 제작하여 한쪽 면은 수증기에 접하게 함으로써 100℃를 유지하고 다른 면은 얼음에 접하여 0℃를 유지하면 = 100℃로 만들 수 있으며, 이때 전도된 열량은 녹은 얼음의 양에 80를 곱하여 계산할 수 있다.
즉,
…(생략)
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m
면적: πr²=π(4.1cm) = 52.783cm
시간: 5분=5×60 = 300s
녹은 얼음의 질량: 18g
k=녹은 얼음의 질량×80㎈×두께 / 면적×시간×100℃
=18g×80cal×0.542cm / 52.783cm×300s×100℃
= 0.00049526
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6. 분석 및 토의
① 시료의 종류에 따른 열전도도를 비교하여라. 열전도도가 가장 큰 시료는 어떤 것인가 또 열전도도가 가장 낮은 시료는 어떤 것인가
열전도도가 가장 큰 시료 : 아크릴
열전도도가 가장 낮은 시료 : 나무
- 실험을 아크릴과 나무로만 실험을 하여서 여러 가지를 비교할수는 없었지만, 그중에서 아크릴이 열전도도가 더 높았으며 나무가 더 적었다.
② 위의 실험에서 ΔT=100℃인 이유를 설명하여라.
- 한쪽 면은 100℃로 만든 수증기에 접하게 함으로써 100℃를 유지하고 다른 면은 얼음에 접하여 0℃를 유지하면 시료의 양쪽 면의 온도차이 ΔT=100℃로 만들 수 있다.
하지만, 여기서도 오차가 생길 수 있는데 그 원인은 수증기의 온도가 100℃를 넘을 수도 있으며, 각 시료의 두께가 전부 같다고 볼 수 있기 때문이다. 또 얼음이 실험을 하면서 직경이 변할 수도 있다는 것을 고려해야 한다.
7. 참고 자료
- 일반 물리학 실험 - 최석호 외 7인 ` 형설 출판사 `
- 네이버 사전