기체확산계수의 측정

소개글

기체확산계수의 측정에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론

2. 이론

3. 실험방법 및 장치

4. 결과 및 고찰

5. 결론

6. 참고문헌

본문내용

를 직접 호흡하면 않도록 주의 하 면서 실험해야 한다.
5) 유기 용매를 확산하는 수직관에 넣을 때 사전에 수분은 제거하고 피펫 등으로 일정량을 서서히 주입해야 한다.
(실험 방법)
1) 항온수조의 온도를 미리 일정하게(20, 25, 30, 35℃) 고정한다.
2) 확산 cell에 확산거리가 약 10cm정도 되도록 ethanol, acetone, ethyl ether 중 한 성분을 넣고 그림1-2와 같이 연결한다.
3) 확산 cell 부분이 수직이 되도록 지지대로 항온수조에 고정한다.
4) 확산 cell에 공기나 질소를 흐르게 한다.
5) 기체를 흐르게 하여 약 15분 후를 t=0으로 하고 이때의 액체의 위치를 읽어 Z0 로 한다.
6) 약 10-15분 간격으로 액체의 위치를 읽고, 실험은 약 2시간 동안 진행한다.
7) 다른 온도에서 위의 실험을 반복한다.
4. 결과 및 고찰
Temp.
( ℃ )
Time form
Commencement of
Experiment(min)
Liquid Level
Time /
65
10 (65℃)
0.0005
4.5835
20 (62℃)
0.001
9.1669
30 (60℃)
0.001
13.7535
40 (68℃)
0.003
18.3336
50 (68℃)
0.003
22.9170
60 (68℃)
0.004
27.5006
70 (68℃)
0.0045
32.0839
80 (68℃)
0.005
36.6672
90 (68℃)
0.006
41.2497
100 (68℃)
0.007
45.8326
※ 실험 시 항온수조의 온도를 65℃ 고정해야 하나 괄호 안에 온도처럼 일정하지 않게 나왔다. 괄호 안에 온도는 매 10분마다 항온수조의 실제 온도를 나타낸다.
1) 와 를 plot하여 얻어진 직선의 기울기로부터 확산 계수를 구해보자.
확산 cell장치로부터 기체확산계수를 구하는 식은 아래와 같다.
이 식을 변형하여 좌변에는 항으로 우변에는 에 관한 항으로 정리하면, 아래의 식이 얻어진다.
,
항을 Y로 항를 X로 치환하면 항이 기울기에 해당된다.
우선 항을 계산하면,
에서
에탄올의 관한 증기압을 구할 수 있는 Antoine 식은
, 여기서
그 외의 나머지 물성 값 들은 아래와 같다.
(에탄올의 밀도)
(기체상수)
(절대온도)
따라서 위에 있는 모든 수치들을 대입하여 값을 구하면, = 이란 값이 나온다.
Time
Slope(10-3)
0
0
0
0
0
10
0.0005
4.5835
0.109
0.072
20
0.001
9.1669
0.109
0.072
30
0.001
13.7535
0
0
40
0.003
18.3336
0.436
0.286
50
0.003
22.9170
0
0
60
0.004
27.5006
0.218
0.143
70
0.0045
32.0839
0.109
0.072
80
0.005
36.6672
0.109
0.072
90
0.006
41.2497
0.218
0.143
100
0.007
45.8326
0.218
0.143
따라서 위 확산계수의 평균값을 구하면
∴
2) 실험온도와 압력에서 식(12)에 의한 확산계수를 계산해보자.
---------------------------(12)
= 확산계수 (cm2/s)
= 성분 A,B의 분자량
= 절대온도 (K)
= 압력 (atm)
σAB = 유효충돌직경 (Å)
ΩD = 충돌적분 f (КT/εAB)
К = Baltzman 상수[erg/K]
단위조작 부록 19를 보면,
에탄올의 이고,
공기의 이다.
또한 =이고,
에 대한 값을 부록19 찾아보면
= 1.1 (충돌적분)
== 4.12 (유효충돌 직경)
따라서 최종적으로 식(12)에 대입하여 확산계수를 구하면,
∴
(실험 결과 고찰)
실험온도와 압력에서 식(12)를 이용하여 구한 확산계수의 값과 실제 실험 결과를 토대로 와 를 plot하여 얻어진 직선의 기울기로부터 확산계수를 구한 값과는 많은 차이가 남을 위에 결과를 통해서 확인 할 수 있다. 이는 실험 시 초기에 항온수조의 온도를 65℃로 고정시키고자 68℃로 예열하였고, 실험이 지속되는 동안에 계속적으로 같은 온도로 예열되어야 했다. 그러나 센서기의 오작동으로 인해 매 시간 측정 시에 온도가 일정하지 못했고, 따라서 매 10분마다 항온수조의 온도가 각각 다른 온도를 나타내었다. (실험 데이터 참조.)
또한 기체 확산에 따른 미세한 액위 변화량을 측정하는데 있어서 정확한 수치를 읽어내지 못한 데에도 원인이 있을 것 같다. 마지막으로 확산계수를 구하는 계산과정에서의 오차도 묵인 할 수 없다.
5. 결론
모든 물질들은 자연적인 상태에서 우리 눈에는 보이지 않지만 서로 끈임 없이 물질을 서로 전달하고 있다. 심지어 한 방향으로 물질이 이동하는 것으로 보이는 계에 대해서도 물질전달은 쌍방향을 가지고 있다. 우리는 이번 실험에서 이런 물질전달의 원리를 한번 알아보았고, 구체적으로 기체의 물질전달 즉 기체 확산에 대해서 알아보았다. 기체 확산을 이해하기 위해서는 기체 확산계수를 알아야 한다. 기체 확산계수는 각 계의 상태(즉 온도, 압력, 조성 등)와 연관이 있고 각 물질마다 서로 다른 확산계수를 가지고 있다. 우리가 한 실험에서는 등온 상태(온도를 65℃로 고정)에서 실험 하였기에 온도와 확산계수의 관계를 실험을 통해서는 알아볼 수 없었지만, 온도가 확산계수에 미치는 영향은 분명히 클 것으로 예상되어진다. 확산계수는 곧 분자의 확산도를 말하는데, 이론과 실험으로 증명된 분자의 확산도는 분자의 고유적인 운동, 인력, 분자간의 거리의 영향을 받는다. 따라서 온도가 상승하면 분자간의 운동이 활발해지므로 확산도가 증가할 것은 당연한 이치이다. 또한 분자량이 적을수록 확산도도 커진다는 사실 또한 분명하다. 우리는 이번실험에서 여러 가지 확산계수의 영향을 미치는 인자에 대한 실험을 하지 못해서 아쉬운 감이 없지는 않지만 기체의 확산을 미세하지만 눈으로 확인 할 수 있었고, 기체의 확산계수를 구하는 식으로부터 확산계수를 실제로 계산해보는 유익한 시간이었다.
6. 참고문헌
전남대학교 공과대학 화학공학부 , “화학공학실험2”
이화영, 전해수, 조영일 공역 , “단위조작” , 한국맥그로힐(주) , 2001

키워드

기체확산,   확산계수,   확산,   계수,   기체확산계수의 측정,   측정,   화학공학,   기체