액체의점도측정

본문내용

활성화 에너지는 lnŋ와 1/T의 그래프의 기울기 값(b)에 해당한다.
4. 각 온도에서의 ŋ, lnŋ, 1/T 의 관계
표7. 각 온도에서의 ŋ, lnŋ, 1/T 의 관계표
온도(T)
ŋ
lnŋ
1/T (K)
25℃
7.15
1.967
0.00336
30℃
6.47
1.867
0.00330
35℃
4.90
1.589
0.00325
40℃
3.34
1.206
0.00319
45℃
2.15
0.765
0.00314
50℃
1.51
0.412
0.00309
그림7 각 온도에서의 lnŋ, 1/T 의 도표
- 여기서, 활성화 에너지값, 즉 기울기(b)를 구해보면,
b=
1.967 - 0.412
=
3887.5 J
0.0034 - 0.003
5. 결론
액체는 마치 층으로 나누어져서 서로의 위로 흐르는 것처럼 흐른다. 이와 같은 형태의 흐름을 층류라 하고 이 층류에 대해서 나타나는 저항은 액체층들 사이의 마찰력에 기인하며 이를 점성도라 한다.
액체의 점도계수는 여러 방법으로 측정할 수 있으며 모세관을 통해 흐르는 속도의 측정, 공이 액체 속에서 낙하하는 속도의 측정, 두 개의 동축원동들 중의 하나를 특정한 각 속도로 돌게 하는데 필요한 힘의 측정 등이 있다.
이번 실험은 밀도를 알고 있는 쇠구슬을 이용하여 온도 변화에 따른 글리세린의 점도를 알기 위해 공 낙하법을 이용하여 낙하시간을 측정함으로써 글리세린의 점도를 알아보고자 하는 실험이었다.
공이 액체 속에서 내려가는 속도로 점도를 측정하는 방법은 고분자 용액과 같이 점성이 큰 용액의 점도측정에 사용한다.
기체에서는 점도가 온도의 상승에 따라 증가하며 압력과는 무관하나, 액체에서는 점도가 온도의 상승에 따라 감소하며 압력의 상승에 따라 증가한다.
액체에서는 강한 분자간 인력이 흐름을 방해하며 ŋ를 크게 하기 때문에 온도가 증가하면 더 큰 병진 운동에너지에 의하여 분자간 인력을 더 쉽게 극복할 수 있기 때문에 액체의 점도는 감소한다. 이와 같은 사실은 실험 데이터에서 온도에 따른 점성도의 변화를 보면 알 수 있다.
ŋ = Aeb/T
여기서 b는 ŋ에 대한 활성화 에너지이다. 즉, 점도값을 알면 활성화 에너지를 구할 수 있다.
이번 실험은 쇠구슬을 이용해 온도변화에 따른 글리세린의 점도를 알아보고자 하는 실험이었다. 실험결과 온도가 높아질수록 쇠구슬의 낙하시간은 짧아진다는 것을 알 수 있으며 점도는 감소한다는 것을 알 수 있다.
6. 토의사항
실험의 목적은 온도를 변화시켜 액체의 흐름에 대한 글리세린의 점도를 측정하여 분자의 흐름을 가능하게 하는 최소한의 에너지인 활성화 에너지를 구하는 것이었다.
실험은 25℃로부터 5℃단위로 50℃까지 온도를 올리면서 점도를 측정한다. 이때 글리세린의 온도와 항온조의 온도를 같게 유지한다.
우선 오차의 원인은 글리세린에 넣어준 쇠공에 있어서의 기포발생 여부이다. 공기기포가 생기지 않게 회전을 주면서도 넣어보고 높이를 최대한 낮추어 넣어보기도 하였지만 대부분의 경우 간혹 쇠공을 넣었을 때 쇠공에 조그만 기포가 붙어서 낙하하는 현상을 관찰할 수 있었다. 공기기포는 글리세린의 밀도보다 훨씬 작으므로 이는 공의 낙하시간을 원래의 값보다 더 길게 나오는 오차를 발생시킨다.
다음의 오차 발생 원인으로 공 낙하시간의 측정이다. 사람의 시각과 초시계를 누르는 반응속도의 차이가 정확한 공 낙하시간 측정을 방해했다는 점이다. 왜냐하면, 사람의 시각과 근육의 반응속도는 차이가 생길 수밖에 없다. 그래서 초시계는 한사람이 측정을 하게 하였다. 따라서 공 낙하시간은 정확하지 않아 점도의 계산에 부정확한 영향을 끼친다. 이러한 오차 발생을 줄이기 위해서는 공 낙하시간을 정확하게 측정할 수 있는 기계를 사용하던지, 또는 여러 차례에 걸쳐서 반복적으로 측정해서 오차를 최소화하는 것이다.
다른 오차발생 원인은 글리세린의 온도와 항온조의 온도가 평형을 이루지 못했기 때문에 실험에서 오차가 발생할 수 있다. 이러한 온도에서의 오차 발생을 최대한 줄이기 위해서는 항온조의 온도가 설정온도에 도달한 후 글리세린의 온도가 항온조 온도와 평형이 될 때까지 최소 30분 이상 시간이 필요하다. 하지만 실험 관계상 많은 30분씩 할 수 없어서 5분정도를 유지하면서 하였다.
마지막으로, 오차의 발생원인으로 생각할 수 있는 것은 쇠공의 공기접촉으로 인한 불순물의 첨가를 들 수 있다. 글리세린에 도달하기 전까지 쇠공은 공기와 접촉하게 되는데 이때 불순물이 쇠공에 묻어 처음에 측정했던 쇠공의 무게와 차이를 보일 수 있다. 불순물에 의해 무게가 더 나가는 쇠공은 글리세린을 통과하는 동안 더 많은 마찰을 받게 되어 실험의 오차를 일으킬 수 있다.
실험을 하여 액체의 점도에 대해 알게 되었고, 위에서 살펴본 것처럼 오차의 원인을 알 수 있어 실험이 정확하지 않았다는 것을 알 수 있다.
7. 사용부호
: 점성도(centipoise : g/cms, 10-3 Pas=1mPas )
: 밀도(g/cm3)
f : 유체의 밀도(g/cm3)
: 전단응력(τ, dyne/cm2)
g : 중력 가속도(cm/s2)
eb/t : Boltzmann 인자
h : 점도계의 위아래에 있는 볼록한 부분 속의 액면간의 높이차이(cm)
R : 실린더형 관의 반경(cm)
r : 구의 반지름(cm)
t : 시간(sec)
8. 참고문헌
1. 물리화학실험, 자유아카데미, 김정림, 1999(p.166-168)
2. POLYMER CHEMISTRY, Raymond B.Sey
3. 물리화학, Atkins, Clugston, 자유아카데미, 1995
4. 물리화학, Robert A.Alberty, 탐구당, 1996
5. 물리화학, 자유아카데미, John S. Winn, 1997 (p.1095-1100)
6. 물리화학, 사이텍 미디어, Robert J. Silbey, 1996(p.704-808)
7. 물리화학 4판, IRA N.LEVINE, 자유아카데미, 1998 (p.497-502)
8. 물리화학의 기초, 김완형, 광림사, 1996
9. 고분자 과학, R.J Young 외 1인 공저, SIGMA PRESS, 2nd ed, 1995
10. 물리화학실험, 대한화학회, 청문각, 1999(p.81-84)

키워드

글리세린,   점도,   공낙하