[물리화학실험] 기체유량측정 결과리포트

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번호는 7이다. 일반적으로 색깔, 냄새, 맛이 없는 기체 상태로 존재한다. 질소는 지구 대기의 78 퍼센트를 차지하며, 모든 생명 조직의 구성물이다. 또한 질소는 아미노산, 암모니아, 질산 그리고 시안화물과 같은 중요 화합물을 구성하는 물질이기도 하다.
(3) 유량：관로를 지나 단위시간에 흐르는 유체의 체적또는 질량의 정도를 나타내는 양.
(4) 체적 유량：단위시간당 흐르는 양을 체적으로 표현하는 유량.
체적 유량은 그 유체의 온도·압력에 있어서의 유량이고, 통상 L/min, mL/min, 등으로 나타납니다.
(5) 질량 유량：단위시간에 흐르는 양을 질량으로 표현하는 유량.
질량 유량은 그 유체의 온도·압력에 관계하지 않고, g/min등으로 나타납니다만, 통상 유량의 단위로 g/min는 일반적이지 않기 때문에, 0℃ 1013 hPa 혹은 25℃ 1013 hPa의 조건하에 있어서의 체적 유량값으로 나타냅니다.
3. 실험장치(Experimental Device)
질소실린더, MFC(Mass flow controller), 유량계(Bubble flowmeter), 초시계(Stop watch) 등
4. 실험방법(Experimental method)
1) MFC 설정치를 10으로 맞춘다.
2) 유량계 눈금 10 ml를 bubble이 통과하는 시간을 측정한다.
3) MFC 설정치를 30, 50, 70, 90으로 맞추면서 각각의 시간을 측정한다.
4) 유량 (ml/min)을 계산한다.
5) Calibration 그래프를 작성하고, regression 방정식을 만든다.
6) 유량 20 ml/min과 40 ml/min을 맞출려면, MFC 설정치를 각각 얼마로 고정시켜야 하는지 계산해본다.
5. 결과(result)
설정값
질소
가스
1차
시간
측정(s)
2차
시간
측정(s)
평균시간
체적유량
(ml/min)
10
20ml
57.25
57.23
57.24
20.96
30
20ml
19.33
18.97
19.15
62.66
50
40ml
23.14
23.11
23.125
103.78
70
40ml
16.57
16.59
16.58
144.75
90
40ml
12.93
12.85
12.89
186.19
◈기체유량을 20 ml/min으로 고정하려고 할 때 MFC 설정치를 얼마로 맞추어야 하는가?
[풀이] f(x) = 2.06275x + 0.5305
20 = 2.06275x + 0.5305
∴ x = 9.439
∴ MFC 설정치를 9.4에 맞추면 20 ml/min의 기체유량이 흘러감
◈기체유량을 40 ml/min으로 고정하려고 할 때 MFC 설정치를 얼마로 맞추어야 하는가?
[풀이] f(x) = 2.06275x + 0.5305
40 = 2.06275x + 0.5305
∴ x = 19.134
∴ MFC 설정치를 19.1에 맞추면 40 ml/min의 기체유량이 흘러감
◈체적 유량과 질량 유량
체적 유량 : 단위 시간당 흐르는 물체의 체적.
질량 유량 : 단위 시간당 흐르는 물체의 질량.
※질량 유량과 체적 유량의 관계
질소 가스의 질량유량
질소의 체적유량
질소의 밀도(24℃)
질량 유량(g/min)
20.96 ml/min
24℃에서의 밀도
0.241 g/min
62.66 ml/min
0.721 g/min
103.78 ml/min
1.193 g/min
144.75 ml/min
1.665 g/min
186.19 ml/min
2.141 g/min
※질소 가스의 질량유량
6. 고찰(discussion)
이번 실험은 MFC를 이용하여 기체의 유량을 측정하여, 설정값과 실제값을 비교해보는 실험이다. 이번 실험을 통하여 액체 뿐만 아니라 기체의 유량이라는 개념을 이해하였다.
기체도 액체와 마찬가지로 점도를 가진다. 점도는 물질의 내부 마찰이라 한다. 이것은 분자 간 인력이 주된 원인인데. 이러한 인력이 강하면 강할수록 물질의 점도는 크다. 점도는 또한 온도에 따라 변화하는데, 온도가 증가함에 따라 점도는 감소한다. 온도가 증가하면 분자의 운동이 빠르고, 운동에너지는 분자 간 인력을 능가하게 된다. 따라서 조성이 변하지 않는 한 온도의 증가에 따라 점도는 감소한다. 점성도는 분자간 인력이 크고 분자의 구조가 길고 복잡할수록 증가하며 액체가 기체보다 점성이 크다. 온도가 높아지면 분자들의 운동에너지가 증가하고, 상대적으로 인력이 감소하여 유동성이 증가하게 되므로 온도가 높을수록 점성은 감소한다. 질소는 매우 강한 결합을 하고 있어서 다른 결합이 약한 기체와 비교해서 유량이 느리다. 이번 실험에서의 정확성이 감소한 이유를 생각해 보았다. 첫 번째로는 실험기구의 비눗방울이 올라가는 위치를 눈으로 측정하였기에, 유량이 빨라지면서 눈으로 측정하는 오차가 생겼을 것이다. 두 번째로는 시간측정 시, 손으로 초시계를 누르기 때문에 조금이라도 시간 측정에 오차가 생겼을 것이다. 여러 산업 분야에서 경제성과 안전성, 신뢰성 등을 고려한다면 정확한 가스유량의 측정, 제어가 요구 되어지고 있다. 반도체 생산장비, 대기환경 측정기기, 화학공정 장치, 가스분석기 및 의료장비 등 기체의 질량유량을 정밀 계측 및 제어하는 기기에 다양하게 사용되고 있으며, 순도 99.9999%의 가스 사용을 할 만큼 정확성을 요구하는 반도체 분야에서 한정되어 사용되었던 것에 반해, 수년전부터 활용분야를 넓혀 PDP, LCD 등의 DISPLAY 산업분야 곳곳에서 자리 매김을 하여 가고 있는 추세이며, 앞으로의 산업 현장에서는 에너지 절감 QNs만 아니라 정확한 유량측정, 합리적인 비용, 설치, 간편한 유지보수 등을 필요로 하기에, 가스 측정의 측정 방식과 MFC의 사용이 계속 증가할 것이다.
7. 참고문헌 (reference)
1) 기체 유량 측정의 원리와 특성, 한국표준과학연구원 유체유동그룹, 최용문 p.21
2) http://www.procon.co.kr/pdf/2001%204/2001%204-special-1.pdf
3) http://www.google.co.kr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&cd
4) http://terms.naver.com/search.nhn?query=%EC%A7%88%EC%86%8C

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물리화학실험,   질소,   MFC,   질량유량,   체적유량,   보정곡선,   Calibration,   Regression,   반도체공정,   기체유량측정