[물리실험] 기체의 단열팽창과 단열압축, 기압에 따른 끓는점 차이 실험(열역학)

[물리실험] 기체의 단열팽창과 단열압축, 기압에 따른 끓는점 차이 실험(열역학)

 

 

Ⅰ. 실험 주제

온도센서와 압력센서를 이용한 단열팽창 및 단열압축 실험(열역학)

 

Ⅱ. 실험 목적

1) 기체의 단열팽창과 단열 압축을 직접 Data로 살펴본다
2) 액체의 기압에 따른 끓는점을 측정하여 정확한 관계를 알 수 있다.

 

Ⅲ. 배경 이론

(1) 센서의 원리

① 온도센서(Temperature Sensor)
온도센서는 온도에 비례하는 전압값을 만들고 프로그램은 이 전압값을 온도로 표시해 준다.
즉, 10mV= 1.0℃ 로 설정되어있다.
- 온도 측정 범위: -5℃ ~ +105℃
- 정확도: ±1℃
- 분해능: 0.2℃
- 출력 전압/온도 비: 10 mV/℃, linear.
- 핀 유형: 8-pin DIN 플러그

파스코 온도센서

② 압력센서(Pressure Sensor)

정전용량식으로 측정하며 정전용량식은 서로 마주보고 있는 전극판의 간격을 외부로부터의 응력에 의하여 변화시키면 그 전극간의 정전용량이 변화한다. 이 정전용량 변화를 전기신호로 변환시키면 응력이 검출된다. 이 원리를 이용한 것이 정전용량식 반도체 압력센서이다.

정전용량식의 경우는 반도체 특유의 특성을 응용하고 있지 않기 때문에 반드시 반도체에 한정되지 않으며, 그 중에서 단결정 실리콘이 미세가공이 용이하다는 것으로 정전용량식에 실리콘이 많이 이용되고 있다.

파스코 압력센서

(2) 실험을 위한 물리 지식

① 단열과정 (ΔQ=0)
: 열의 출입을 막고 기체의 부피를 변화.

ⅰ) 단열압축(ΔQ=0, ΔV<0) : ΔV<0이면 ΔT>0이 된다.
-> 단열압축 시키면 온도가 올라간다.
ⅱ) 단열팽창(ΔQ=0, ΔV>0) : ΔV>0이면 ΔT<0이 된다.
-> 단열팽창 시키면 온도가 내려간다.

② 기압에 따른 끓는점

열린 용기 속에서 액체를 가열하면 (액체위의 압력이 일정한 값으로 유지 된다면) 그 액체가 표면으로부터 증발하고 그 증기압력이 외부 압력과 같아지는 온도에서는 액체 내부에서도 증발이 일어나며 증기가 주위로 자유롭게 퍼져나갈 수 있는데 이같이 액체의 증기압력이 외부 압력과 같아지는 온도를 그 압력에서의 끓는점이라고 한다.

증기압력: 닫힌 용기속에 들어있는 액체 상태의 순수한 물질과 평형을 이루고 있는 증기의 압력. 즉, 일정한 온도에서 증발과 응축이 동적 평형에 도달했을 때 액체 위에 있는 증기가 미치는 압력이다.

증기압력은 온도에 따라 증가 하는데 이는 온도가 높아지면 이웃과 서로 묶여 있던 분자들이 뛰쳐나와 높은 에너지상태로 밀집되기 때문이다. 또한 분자사이의 인력이 약한 휘발성액체일수록 커지며 비휘발성 용질이 녹아있는 용액의 증기압력은 순용매의 증기압력보다 낮다.

몰 증발열을 설명하기 전에 증발열이 무엇인지 살펴 보면, 일정한 온도에서 액체 1g을 증발시키는데 필요한 열량을 증발열이라고 한다. 그렇다면 몰 증발열은 끓는점에서 액체 1몰을 완전히 기체로 만드는데 필요한 열량이라고 할 수 있다. (끓는점: 액체의 증기압력이 외부 압력과 같아지는 온도)

밀폐된 용기 안에서 액체를 가열하면 온도가 올라감에 따라, 증기압력이 올라가고 이와 동시에 액체가 팽창되기 때문에 그 밀도가 감소한다. 마침내 증기의 밀도가 남아있는 액체의 밀도와 같게 되고 두 상 사이의 표면이 없어지는 임계점에 도달하게 된다. 따라서 임계점 이상에서는 액체상이 존재 하지 않는다.

열린 용기 속에서 액체를 가열하면 (액체위의 압력이 일정한 값으로 유지 된다면) 그 액체가 표면으로부터 증발하고 그 증기압력이 외부 압력과 같아지는 온도에서는 액체 내부에서도 증발이 일어나며 증기가 주위로 자유롭게 퍼져나갈 수 있는데 이같이 액체의 증기압력이 외부 압력과 같아지는 온도를 그 압력에서의 끓는점이라고 한다.

 

Ⅳ. 실험기구 및 방법

(1) 실험 기구

∙끓임쪽 약간 ∙Y자 유리관 ∙고무관
∙압력센서 ∙온도센서 ∙고무 마개
∙삼발이 ∙석면 쇠그물 ∙스탠드
∙클램프 ∙알코올 램프

(2) 실험 방법

1) 기체의 단열 팽창
① 먼저 100ml 플라스크와 주사기를 준비한다.
② 고무마개에 온도센서와 고무관을 연결할 syringe를 꽂는다.
③ 꽂은 플라스크를 스티로폼 박스에 넣어 단열시킨다.
④ Y자 유리관에 주사기와 압력센서를 꽂고 시작 버튼을 누른다.
⑤ 일정 속도를 유지하며 주사기의 피스톤을 뺀다.
⑥ 그래프를 주시한다.

2) 기체의 단열 압축
① 먼저 100ml 플라스크와 주사기를 준비한다.
② 고무마개에 온도센서와 고무관을 연결할 syringe를 꽂는다.
③ 꽂은 플라스크를 스티로폼 박스에 넣어 단열시킨다.
④ Y자 유리관에 주사기와 압력센서를 꽂는데 이때 주사기의 피스톤을 미리 빼 놓는다.
⑤ 시작 버튼을 누르고 그래프를 주시한다.

3) 압력에 따른 끓는점의 측정
① 250ml 플라스크에 물을 담고 온도센서와 syringe를 고무마개에 끼워서 플라스크를 막는다.
② 삼발이와 석면을 준비하고 위에 플라스크를 놓은 뒤 클램프로 고정시킨다.
③ 알코올램프에 불을 붙이고 끓을 때까지 기다린다.
④ 끓게 되면 끓음이 가라앉길 기다렸다가 압력센서와 연결하고 주사기를 잡아당겨서 압력을 낮춘다.
⑤ 압력을 몇 번 낮춰가면서 온도와 압력과의 관계를 알아본다.

 

Ⅴ. 결과

a. 단열팽창

부피를 팽창시켜 압력을 낮춤에 따라 플라스크 내부의 온도가 내려감을 알 수 있다.
두 번째 그림을 보면 단열의 조건에서 압력과 부피는 비례함을 알 수 있다.

단열팽창 실험 결과

b. 단열압축

부피를 압축시켜 압력을 높임에 따라 플라스크 내부의 온도가 올라감을 알 수 있다.
두 번째 그림을 보면 단열의 조건에서 압력과 부피는 비례함을 알 수 있다.

단열압축 실험결과1

 

단열압축 실험결과2

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c. 압력 차이에 따른 액체(물)의 끓는 점 차이

데이터를 보면 압력을 낮춤에 따라 끓는점이 내려가는 것을 알 수 있다. 그림의 계단 모양은 압력을 낮추고 어느 정도의 시간동안 압력을 유지시킴으로서 생긴 그래프의 형태이다. 처음에 압력을 낮추면 온도는 변화가 없음(수평 방향의 그래프)을 알 수 있다. 하지만 그 상태로 어느 정도 시간이 흐르면 온도가 내려간다. 즉, 물의 끓는점이 내려가는 것이다.

끓는점 내림

 

Ⅵ. 실험분석

기체의 단열 팽창 및 압축의 경우, 온도가 변하였으나 최대 1도 정도의 차이로 관찰이 힘들었다. 압축이나 팽창을 더욱 효과적으로 하는 것이 관건이었으나 플라스크의 내구력도 떨어질뿐더러 압축기의 부재로 주사기를 사용하였다.

주사기의 부피도 고려해야 하지 않는가도 생각해 봤지만 주사기의 역할은 공기의 주입이 주목적이고 실제 온도를 재고 있는 곳은 플라스크 안이므로 고려하지 않는 것이 더 낫단 생각을 하였다.

끓는점을 측정 시 증기압이 계속하여 발생하기 때문에 일정한 기압을 유지하기 힘들었다.

증기압의 증가로 내부 압력이 높아지고 그 압력으로 인하여 끓는점이 높아지는 순환을 겪었다.

밀폐를 위한 용도로 파라필름을 사용하였지만 열로 인하여 녹아서 그다지 소용이 없었다.

물의 양을 많이 하면 할수록 효과적인 압축이 가능했지만 끓이는 시간이 많이 들어 온도계가 자체적으로 테플론 쪽에서 열을 흡수하여 정확한 측정이 불가능했다.

 

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