[물리응용실험] 열의 역학적 일당량 측정 실험 & 열의 전기적 일당량 측정 실험

소개글

[물리응용실험] 열의 역학적 일당량 측정 실험 & 열의 전기적 일당량 측정 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

열의 역학적 일당량 측정 실험

1. 실험 목적

2. 기초 이론

3. 실험 기구

4. 실험 방법

5 실험 결과

6. 결과 처리

7. 결론 및 고찰



열의 전기적 일당량 측정 실험

1. 실험 목적

2. 기초 이론

3. 실험 장치

4. 실험 방법

5. 실험 결과

6. 결과 처리

7. 결론 및 고찰

7. 기 타

본문내용

심을 가진 것은 줄이 처음이 아니었다. 뮌헨에서 왕의 명을 따라 대포 깎는 일을 감독하던 벤자민 톰슨(럼퍼드 백작)은 작업 중에 발생하는 엄청난 열을 철주가 깎여나가 줄어든 칼로릭의 함량으로 설명하기에는 너무 많다고 생각하면서 천공기의 운동이 대포를 구성하는 입자에 전달돼 열이 발생한다고 주장했다. 영국의 화학자 험프리 데이비 역시 얼음을 마찰시켜 발생한 열로 얼음을 녹이는 실험을 통해 운동이 열로 바뀐다고 주장했다. 하지만 이들의 주장은 주목받지 못했다.
줄은 먼저 전지에서 화학 작용으로 발생한 전기가 전동기를 작동시켜 역학적인 일을 만드는 과정에 관심을 기울였다. 그는 역학적인 일과 열 사이의 정량적인 관계를 측정하기 위해 역학적인 일로 전류를 만들어 내고 다시 이로부터 열을 만들어내는 전기 장치를 고안했다. 이 장치를 써서 열과 일 사이의 관계를 수치로 계산한 줄은 역학적인 일이 소모될 때 언제나 같은 양의 열이 발생한다고 주장했다. 이후 줄은 전기를 거치지 않고 역학적인 일에서 바로 열을 발생시키는 과정에 관심을 가졌다. 1845년부터 줄은 여러 가지 방법을 써서 열의 일당량을 구하는 실험을 했다. 오랜 기간 그의 연구의 결정판은 젓개 바퀴 실험이었다. 줄은 1850년 왕립학회의 ‘철학회보’에 ‘열의 역학적 당량에 관해’라는 논문을 발표하면서 1840년대 내내 지속된 자신의 열의 일당량 측정 실험을 집대성했다.
그의 대표적인 실험 장치는 4개의 고정된 날개 사이에서 놋쇠로 만든 8개의 날개가 회전하도록 한 것이었다. 젓개 바퀴의 축은 자유롭게 회전할 수 있도록 돼 있었고, 젓개 바퀴는 구리로 만든 원통형 용기 속에 꼭 맞게 끼워지게 돼 있었다. 용기 뚜껑에는 목 2개가 튀어 나와 있는데, 하나는 젓개 바퀴의 축을 끼우고 다른 하나는 온도계를 끼우기 위한 것이었다.
줄의 열의 일당량 측정 실험:추가 떨어지면서 물 속의 젓개 바퀴를 회전시킨다. 이 때 마찰에
의해 열이 발생하면서 물의 온도가 올라간다. 줄은 772파운드가 1피트 내려갈 때 생기는 역학적에너지가 물 1파운드를 1℉ 올릴 수 있다는 결과에서 열의 일당량을 4.15J/cal로 계산했다.
통에 끼워진 젓개 바퀴의 축은 핀으로 원통을 연결할 수 있게 만들어져 있고, 원통에는 회전 손잡이가 달려 있었다. 회전 손잡이에 감겨 있는 노끈의 다른 쪽 끝은 도르래에 감겨 있어 추의 운동을 젓개 바퀴에 전달하도록 돼 있었다. 나무로 만든 도르래는 양쪽에 2개가 설치됐고, 지름은 1피트(약 30cm), 두께는 2인치(약 5cm) 정도였다. 도르래 중앙에 박혀 있는 원통형 축바퀴에 끈을 감아 납추를 매달아 놓았는데, 납추는 29파운드(약 13kg)짜리 2개를 먼저 사용하고 다음 실험에서 10파운드(약 4.5kg)짜리 2개를 사용했다. 중앙의 마찰 장치 원통은 나무 탁자 위에 올렸는데 나무판을 가로로 잘라 놓아 원통에 접촉하는 면을 줄여 되도록 열전도가 적게 일어나도록 했다. 줄은 이 실험 장치 전체를 지하실에 두고 온도 변화에 노출되지 않도록 주의했다. 이렇게 준비된 상태에서 줄은 대기 온도와 통 속의 물 온도를 재고 납추를 63인치(약 1.6m) 높이에서 떨어뜨렸고 이 낙하 운동이 가운데 원통 속의 젓개 바퀴를 회전시키도록 했다. 그런 다음 추를 감아주는 과정에서 젓개 바퀴가 돌지 않도록 젓개 바퀴의 축과 끈이 감기는 원통의 연결핀을 뺀 뒤 원통의 축을 틀에 고정시키고 손잡이를 돌려서 추를 원래 위치로 끌어 올렸다. 그리고 다시 핀으로 원통을 젓개 바퀴의 축에 연결시킨 뒤 추를 떨어뜨렸다. 줄은 이 과정을 20번 반복했다. 줄은 실험 과정에서 실험자의 체온이 장치의 온도에 영향을 미치지 않도록 커다란 나무판을 실험자와 장치 사이에 놓았고, 실험이 진행되는 동안에는 공기의 온도가 상승하는 정도를 측정해 결과를 보정했다. 줄이 전체 실험을 하는 데 걸린 시간은 35분이었다. 그 다음에 줄은 구리 용기에 든 물의 질량과 젓개 바퀴의 비열과 질량, 구리 용기의 비열과 질량을 사용해서 장치가 얻은 열량을 계산했다. 또 추의 무게와 추의 총 이동거리를 사용해서 추가 한 일을 구하고 추가 바닥에 부딪치는 속력이 2.42인치/초인 것을 재서 운동에너지를 구해 추가 젓개 바퀴에 해준 일에서 제외했다. 온도계는 미리 예상되는 온도로 데워서 사용해 열용량 계산에서 제외시켰다. 줄은 이 과정을 40회 반복한 다음 평균값을 구했다. 이렇게 얻은 평균값으로부터 줄은 역학적인 일이 모두 열로 전환된다는 가정 아래 변환비율을 계산했다.

키워드

물리응용실험,   열의 역학적 일당량 측정 실험,   열의 전기적 일당량 측정 실험,   열량을,   전기적 일당량 ,   역학적 일당량,   전기적 에너지와