열역학 제1법칙, 열역학 제2법칙, 열용량, 단열, 방열, 열전도 법칙 및 상변화(열역학1)

목차

내부에너지(Internal Energy)
열(Heat)
열용량(Heat Capacity)
비열(Specific Heat)
상변화 및 잠열(Phase Change and Latent Heat)
상변화 및 팽창
열역학 제1,2,3법칙
엔트로피
전기-열 에너지 변환
대류(Convection)
복사(Radiation)
열전도 법칙(Thermal Conduction Law) 및 열전도도(Thermal Conductivity)
복사 법칙 즉 스테판 법칙(Stafan's Law)

본문내용

증기 발생장치를 작동하기 위하여 준비된 물통 속에 1/2 혹은 3/4정도의 물을 채우고 전원 스위치를 켠 뒤 온도 조정 손잡이를 오른쪽으로 충분히 돌린다. 대략 3/4정도의 물을 끓이는 데는 8 ~ 12 분 정도가 소요될 것으로 예상되며 증기 발생기는 물이 너무 적으면 전원이 자동 차단되고 일정량 이상으로 추가하면 계속 작동한다. 이때, 손에 증기가 닿지 않도록 주의. 얼음의 밑면이 시료 표면과 잘 밀착될 수 있도록 평평하게 정리
3) 열전도도를 측정할 시료1(알루미늄)의 두께 l를 측정하여 기록하고 이 평판을 그림 12.5 와 같이 수증기통 위에 잘 밀착하여 설치. 수증기 발생장치에서 증기가 이동하여 측정시료의 밑면온도가 수증기의 온도( 100℃)와 일치되는 평형상태가 되도록 기다린 후 원통형 얼음의 직경 d를 측정하여 기록하고 시료의 표면과 얼음의 밑면이 전체적으로 잘 밀착되도록 설치한다. 이때, 시료와 얼음의 표면이 잘 밀착되도록 하기 위하여 얼음을 올려 놓은 후 1~2분 동안 관찰하면서 조정한다. 시료와 얼음이 잘 밀착되게 하고 2분 정도의 시간에 녹은 얼음의 양을 측정 기록하라. 모든 단위는 SI단위.
4) (열전도 법칙 분석) 시간 t의 함수로 얼음이 녹은 질량 m(t)을 30초 시간 간격으로 측정하라. Logger Pro 3에서 가로축을 열전도 시간 t[s]로, 세로축을 얼음 녹은 질량 m[kg]으로 그래프를 그리고 비례관계가 있는 지 확인.
5) (열전도도 분석) 실험 과정 1)~3) 의 결과로부터 시료의 열전도도를 계산.
6) (열역학 제2법칙) 실험과정 1)~3) 의 결과에서 열에너지가 고온(시료의 아래 면으로 100℃)에서 저온(시료의 위 면으로 0℃)으로만 흐르는 것이 확인되는가? 이것으로 열역학 제2법칙이 성립함을 확인하라. 또 이 열전도 실험에서 실험장치계의 엔트로피 증가를 확인하라.
실험 12.D 상변화, 상변화에 의한 팽창 및 잠열 실험
1) (액체 물에서 고체 얼음으로 상변화(응고) 팽창 및 잠열) 투명하고 단면적이 일정한 플라스틱 병에 아는 부피의 물을 담고 물과 공기 경계에 네임 펜으로 마킹한다. 이 병을 냉장고 냉동실에 12시간 이상 두어 물이 전부 얼음으로 응고되게 한다. 응고된 얼음의 높이를 측정하여 원래 물의 높이에 비하여 얼마나 팽창했는지 구한다. 즉 응고에 의한 팽창률을 구한다. 이 팽창율을 이용하여 이미 알고 있는 물의 밀도 로 얼음의 밀도를 구하라. 물이 얼음으로 바뀌면서 냉장고 환경이 물에서 뺏어낸 잠열은 얼마인가?
2) (액체 물에서 고체 얼음으로 상변화(응고) : 동파실험) 플라스틱 병 대신에 유리병(박카스 병 크기가 적당)을 사용하고 물을 응고시키면 어떤 결과가 예상되며 이에 대비한 적절한 안전조치(유리병 전체를 비닐봉지 속에 담아 둠)를 미리 취하고 실험 수행. 물의 응고시 생기는 부피 팽창과 이 팽창의 힘(팽창력)을 실감 하겠는가? 바위의 자연적인 풍화와 옛날 바위 깨는 방법은 이 물의 응고 시 생기는 부피 팽창력을 이용한 것이다.
주의사항1 : 전기 쇼크 방지를 위하여 냉장고는 접지(ground)된 것을 사용할 것. 깨진 유리조각 조심.
주의사항2 : 실험에 물을 사용하기 때문에 물이 실험기기에 들어가지 않게 조심. 특히 PC.
3) (액체 물에서 기체 수증기로 상변화(기화) 팽창 및 잠열) 공 모양 고무풍선을 준비하고 풍선만의 질량을 미리 측정해 둔다. 풍선을 채울 물의 초기온도 을 측정해 둔다. 이 풍선에 물을 풍선의 원래 부피만큼만 채우고 주둥이를 묶는다. 그리고 이 풍선 및 물의 질량을 측정하고 물만의 질량 을 구한다. 물의 밀도를 이용하여 물의 부피 을 구해 둔다. 이 물 담긴 풍선을 전자레인지(마이크로웨이브 오븐)에 넣고 가열하여, 액체 물에서 기체 수증기로 상변화(기화)와 팽창을 관찰. 부푼 풍선을 디지털 카메라로 사진을 찍어 풍선의 부피 즉 수증기 부피 을 구하라. 가열 시간 은 적절히 잘 선택해야 한다. 너무 짧으면 물이 전부 기화되지 않고 너무 길면 부피가 너무 커져 풍선이 폭발. 액체 물에서 기체 수증기로 상변화(기화)하면서 부피 팽창 비를 구하고 문헌 자료와 비교.
주의사항1 : 전기쇼크 방지를 위하여 전자레인지는 접지된 것 사용. 풍선이 크게 부풀면 터질 수 있으므로 부푼 풍선이 식어 크기가 줄고 나서 꺼낼것. 뜨거우니 조심
주의사항2 : 실험에 물을 사용하기 때문에 물이 실험기기에 들어가지 않게 조심. 특히 PC.
4) (액체 물에서 기체 수증기로 상변화(기화) 팽창 : 폭발실험) 습기가 있는 겉 땅콩(꼬투리 땅콩) 적당량을 전자레인지에 넣고 가열. 겉 땅콩의 폭발을 관찰. 이 폭발을 상변화 팽창으로 설명. 이 상변화 폭발과 화약 폭발의 공통점과 차이점 설명
주의사항1 : 전기 쇼크 방지를 위하여 전자레인지는 접지 된 것 사용. 땅콩이 터지면서 전자레인지 벽을 상하게 할 수 있으므로 안전조치를 적절히 할 것
주의사항2 : 실험에 물을 사용하므로 물이 실험기기에 들어가지 않도록 조심. 특히 PC.
(3) 실험 장비 및 재료
33Ω/0.25 탄소피막 저항 장착 필름 통 2개, 빈 필름 통 2개, 이중 30 V 3 A 직류 전원공급기 1대, 물 1, 측정범위 -50℃~+150℃ 스테인레스 디지털 온도계 2개, 최대 측정무게 2kg 해상도 10mg 전자저울 1대, 내경 30mm 길이 1m 열배관 보온재 1개, 내경 30mm 길이 100mm방열용 황동 튜브 1개, 100mmx500mm 두께 50방열용 황동튜브 밀착용 구리박(Cu film), DC 12V 0.2A 소형 냉각팬 1개, 덕 테이프 1통, 문구용 가위 1개, 포스트잇 1책, 높이 50cm 스탠드 및 클램프 2세트, 면 수건 1개, 고무풍선 2개, 전자레인지 1대, 냉장고 1대, 투명한 원통형 페트병 1개, 박카스 병 1개, Vernier사 센서인터페이스 LabPro 1세트, 온도 프로브 2개, PC 1대, 실험 분석용 소프트웨어 Vernier사 Logger Pro 3 1 copy, 수증기통과 지지대 1세트, 증기 발생기와 전원장치 1세트, 얼음제작용 Teflon 비커 1개, 열전도도 측정시료 금속판, 물, 얼음, 보호장갑

키워드

상병화,   열역학 법칙,   엔트로피,   대류,   복사,   열전도,   스테판법칙