개념 한 쪽
전기로 관련 문제는 전극 재료의 구비조건, 전열기 계산, 그리고 가열 방식의 특성 구별을 중심으로 출제된다. 전극은 전기전도성과 기계적 강도를 필요로 하고 열손실을 줄이기 위해 열전도율은 작아야 한다. 가열 방식별 장단점을 파악하고 발열체의 특성을 구분하는 것이 핵심이다.
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출제기준 단원 「전기로」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전극 구비조건 판별 | 1 | 전극의 전기·열·화학적 성질 방향을 가려 맞추게 한다 |
| 전열 계산 시간 구하기 | 1 | 전열기 출력과 물의 열량으로 가열 시간을 계산하게 한다 |
| 가열방식 적합성 선택 | 1 | 제품 형상과 가열 방식의 적합성으로 최적 방식을 고르게 한다 |
전극은 전기로에서 피열물에 전류를 공급하는 부품이므로 전기전도율이 커야 한다는 점이 기본 조건이다. 전극 재료로는 탄소·흑연 계열이 사용되며 고온에서도 기계적 강도를 유지해야 하고 피열물과 화학반응을 일으켜 불순물을 만들지 않아야 한다. 반면 열전도율은 작아야 전극을 통한 열손실과 전극 소모를 줄일 수 있다.
전기로의 장점은 연소가 없으므로 제품에 연료 그을음이나 연소가스로 인한 불순물 혼입이 적고, 광범위한 온도 범위를 얻을 수 있으며 전력 조절을 통한 정밀 온도 제어가 가능하다는 점이다. 또한 연료에 비해 상대적으로 열효율이 높다는 점도 장점이다.
가열 방식은 목적에 따라 선택해야 한다. 복잡한 형상의 금속제품을 균일하게 가열하려면 제품 전체를 일정 온도의 매질에 담그는 염욕로가 적합하다. 직접저항가열과 유도가열, 적외선가열은 표면이나 통전 상태에 따라 발열 분포가 달라 복잡 형상에서 온도 편차가 생기기 쉽다.
저항 발열체는 고온에서 오래 견디는 내열성, 산화·부식에 견디는 내식성, 가공성이 좋아 얇게 펴거나 성형하기 쉬운 성질이 요구된다. 또한 저항의 온도계수는 작을수록 전력과 온도의 안정성이 좋아 바람직하다. 발열체 재질별로 최고 사용 온도가 달라 탄화규소 계열 발열체는 금속계 발열체보다 훨씬 높은 사용 온도를 견딘다.
대표 계산 문제: 600W 전열기로 물 3kg을 15℃에서 100℃까지 가열할 때 소요 시간은 다음과 같이 구한다. 필요한 열량 Q = m·c·ΔT = 3·1000·(100−15) = 255,000 cal이다. 600W는 600 J/s이므로 1cal = 4.186 J를 이용하면 600 ÷ 4.186 ≈ 143.4 cal/s가 된다. 따라서 시간 t = 255,000 ÷ 143.4 ≈ 1,779 s ≈ 29.65분으로 계산된다. 계산에서 핵심은 J↔cal 환산과 초→분 변환을 정확히 적용하는 것이다.
전극 조건 문제 예시: 전극은 전기전도율이 크고 기계적 강도가 크며 피열물과 화학반응을 일으키지 않아야 하고 열전도율은 작아 열손실과 소모를 줄여야 한다. 열전도율은 작아야 하므로 '열전도율이 클 것'으로 제시된 선택지는 정답으로 골라야 할 부정 문항이 된다.
가열 방식 선택 문제 예시: 형태가 복잡한 금속제품을 균일 가열하는 목적이라면 염욕로를 선택해야 한다. 직접저항·유도·적외선은 표면 또는 통전 상태에 따라 가열 분포가 달라 균일 가열이 어렵다.
전기로에 사용되는 전극재료의 구비조건이 아닌 것은?
정답 ② · 질문은 전기로용 전극재료의 구비조건이 아닌 항목을 찾으라고 묻는다. 전극은 전기전도율이 크고 고온에 견디며 기계적 강도가 크고 피열물과 화학작용을 일으키지 않아야 하는 것이므로 ①③④는 맞는 조건이다.
전기로 전극은 전기전도율·기계적 강도가 크고 피열물과 반응하지 않아야 하며, 열전도율은 열손실 방지를 위해 오히려 '작아야' 한다.
화학 공업 제품의 생산에 전기로를 이용하면 다른 연소로에 비해 장점이 아닌 것은?
정답 ④ · 문제는 화학공업에서 전기로 사용의 장점이 아닌 것을 고르는 문제이다. 전기로는 연소로에 비해 불순물 혼입이 적고, 매우 높은 온도 범위를 얻을 수 있으며 전력 제어로 정밀한 온도 제어가 가능하고 일반적으로 열효율도 높은 편이다.
전기로는 불순물 혼입 방지·광범위한 온도·정밀 제어·높은 열효율이 장점이다.
전기로가 고온으로 된 경우 전류를 공급하는 데는 내열성이 좋은 전극이 필요하다. 전기로에 사용되는 전극이 구비해야 할 조건으로 옳지 않은 것은?
정답 ③ · 문제는 전기로에서 전극이 갖추어야 할 조건 중 옳지 않은 것을 묻고 있다. 전극은 고온에 견디고 고온에서의 기계적 강도가 커야 하며 열 손실을 줄이기 위해 열전도율이 작아야 하고 전류 공급 역할을 하므로 도전율은 커야 한다.
전기로 전극은 고온 내성·기계적 강도·작은 열전도율에 더해 도전율이 커야 하므로 '도전율이 작을 것'이 옳지 않다.
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