[물리학실험] 기체방정식, 열기관 Gas Law / Heat Engine

목차

1. 실험제목
2. 실험일시
3. 실험목적
4. 실험내용
<1> 보일의 법칙 (Boyle's Law)
<2> 샤를의 법칙 (Charles' Law)
<3> 열기관 (Heat Engine)
5. 느낀 점

본문내용

하는 어떤 기관도 같은 조건에서 작동하는 카르노 기관보다 더 큰 효율을 가질 수 없다는 것을 증명할 수 있다.
2) 실험 방법
① 장치를 연결한 후 찬물이 담긴 비커에 에어 챔버(air chamber)를 넣고, 온도와 피스톤의 위치를 기록한다.
② 플랫폼 위의 추의 개수를 증가시키면서 피스톤의 위치를 기록한다.
③ 뜨거운 물이 담긴 비커에 에어 챔버(air chamber)를 넣고, 온도와 피스톤의 위치를 기록한다.
④ 플랫폼 위의 추를 내려놓으면서 피스톤의 위치를 기록한다.
⑤ P-V 다이어그램을 그린다.
3) 실험 결과 및 분석
온도()
압력()
눈금(mm)
부피()
4→1
단열압축
18(4)
초기(101.3)
66
3.37
18
+1.18
61
3.29
18
+2.36
56
3.20
18
+3.54
51
3.12
18
+4.72
45
3.02
18(1)
+5.90
39
2.92
1→2 등온팽창
52(2)
+5.90
49
3.09
2→3
단열팽창
52
+4.72
55
3.19
52
+3.54
60
3.27
52
+2.36
65
3.35
52
+1.18
71
3.45
52(3)
초기(101.3)
77
3.55
3→4
등온압축
19(4')
초기(101.3)
60
3.27
이론적으로 카르노 기관의 P-V 다이어그램에서는 손실이 없으므로 3에서 4로 되돌아갈 수 있으나 이번 실험에서는 실험장치의 문제로 기체가 손실되어 같은 온도로 돌아왔을 때 기체의 부피가 처음보다 약 감소되어 오차가 있었다. 그러나 대략적으로는 카르노기관과 같은 형태를 보임을 알 수 있었다.
1,2,3,4 네 점이 이루는 도형의 넓이는 이 실험에서 카르노 기관이 한 일의 양과 같고 그 크기는 이다.
이 열기관의 효율은 앞서도 언급했듯이 eC = (TH - TC)/TH로 나타낼 수 있다. 뜨거운 물의 온도는 52도, 차가운 물의 온도는 18도였으므로 본 실험에서의 효율은 이다.
이 결과에서도 볼 수 있듯이 카르노 열기관의 한계는 여기서도 나타나는데 만약 효율을 1로 극대화시키고 싶다면 TC가 0이고 TH가 무한이어야 하지만 실제로는 그러한 환경을 만들기 매우 어렵기 때문에 실제엔진의 효율은 1이 되지 못한다. 그리고 우리는 이상기체라고 가정하고 효율을 구했기 때문에 실제 효율은 이상적인 열역학 효율 0.102보다 좀 더 작을 것이라고 예상할 수 있다.
4) 오차보정
이 실험도 마찬가지로, 실험 기구에서 시간이 지날 수록 계속 공기가 빠져 한번 순환을 한 뒤에 처음 부피와 나중 부피가 같아야 하는데 그렇지 않았다. 그래서 최대한 오차를 줄이기 위해 신속히 실험했지만 어느정도의 오차는 감수해야만 했다.
5. 느낀 점
실험 원리는 이제까지의 실험들에 비해서 간단한 편이었는데 보고서를 쓰는 것은 생각보다 까다로웠다. 오차가 예상했던 것보다 커 그랬던 것 같다. 기체의 부피와 직접적으로 관련된 실험이라 실험 장치에서 기체의 출입이 없어야 되는데 계속 공기가 빠져서 실험을 빨리 하느라 애를 먹었다. 실험 장치가 좀 더 견고했더라면 오차를 많이 줄일 수 있었을텐데 아쉽다.

키워드

물리학실험,   기체방정식,   기체상태방정식,   열기관,   보일의 법칙,   샤를의 법칙