[일반물리학실험]얼음의 융해열

실험 목적

가장 간단한 경우인 물 열량계를 이용하여 혼합 방법으로 얼음이 녹을 때의 융해열 값을 근사적으로 측정하여 본다.

 

실험 이론 및 원리

1. 융해열

융해열이란 고체가 녹는점에서 액화하는데 필요한 열량이다. 순수한 고체를 가열하여 온도가 상승하여 녹는점에 이르게 되면 온도는 일정하게 유지되면서 이후에 가해지는 열은 주로 그 고체의 융해에 쓰이고, 전체 고체가 완전히 액화된 후 온도가 다시 상승하기 시작한다. 이 사이에 필요로 하는 열은 이른바 숨은열(혹은 잠열)로서 융해열이라고 한다.

보통 고체 1g 을 녹는점에서 액화시키는데 필요한 열량으로 나타내며, 고체 1mol 에 대한 융해열을 몰융해열이라고 한다. 즉, 온도를 바꾸지 않은 상태에서 1g의 고체를 융해하여 액체로 바꾸는 데 소요되는 열에너지를 말한다. 녹는점에서 고체 물질 1g을 융해시키는 데 필요한 열에너지로 분자 사이의 인력이 강할수록 큰 값을 갖는다. 바꾸어 말하면 융해하고 있는 고체가 1g당 외부로부터 빼앗는 열에 해당하며, 액체가 고체로 응고할 때는 이것과 같은 양의 열에너지가 외부로 방출된다. 물질마다 정해진 고유값으로서 상수 중 하나이다.

융해열 L=(Q1-Q2)/m

예를 들면 0℃의 얼음이 녹아 0℃의 물이 되는 과정을 융해라 하는데, 얼음이 융해하기 시작하는 온도를 융해점이라 하고 물의 경우에는 0℃가 된다. 또 융해점에서 단위 질량의 얼음이 융해해야 같은 온도의 액체로 되는데 이때 필요한 열량이 융해열이다. 참고로, 물의 경우 1기압에서 융해열79.9kcal/kg 이며, 기화열은 539kcal/kg이다. 또한, 얼음의 융해열은 약 80㎈로, 이것은 많은 물질의 융해열 중에서도 비교적 큰 편이다.

 

2. 열량

물질의 온도가 올라가거나 내려갈 때 그 물질이 흡수 또는 방출한 열량을 열량(Q)라 한다. Q=mc∆t 이고 여기서 c는 그 물질의 비열을 나타낸다.

물의 비열 : 1 cal/g K, 얼음의 비열 : 0.5 cal/g K

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

스티로폼 컵 열량계, 온도계(0.2℃ 눈금), 비커, 전자저울, 얼음, 휴지 약간

실험 방법

1. 얼음의 융해열 실험

① 빈 열량계의 질량(m1)을 측정한다.

② 찬물을 용기의 2/3가량 투입하고 열량계의 질량(m2)를 측정 후 기다렸다가 온도(T1)을 측정한다.

③ 열량계의 얼음을 집어넣고 교반하면서 얼음이 다 녹을 때가지 기다린 후에 (T2)를 측정하고 전체질량(m3)를 측정한다.

실험 결과

1. 측정 분석

첫 번째로 증류수를 가열한다. 증류수를 가열할 땐, 비커를 사용하기 보단 매스실린더를 사용하여 정확한 부피(200㎖)를 측정해야 한다. 핫 플레이트(hot plate) 위에 비커를 올려놓아 stir버튼이 아닌 heat버튼을 조작하여 비커를 가열하여 준다.(그림 참고)

hot plate에서 가열중인 비커

두 번째 스티로폼 컵의 무게를 잴 때, 이전에 실험을 진행하고 남아있던 물기를 완벽히 제거해야 정확한 스티로폼 컵의 질량을 잴 수 있다. 이후에 가열된 물 150㎖를 스티로폼 컴에 담아준다. 이 때도 역시나 비커에 모든 물기와 잔여물을 제거한 뒤 오직 150㎖를 넣어줘야만 스티로폼 컵 + 뜨거운 물의 질량의 정확한 수치를 얻을 수 있다.

세 번째 스티로폼 컵에 얼음을 넣어주는 데 첫 번째 실험과 두 번째 실험에서 얼음이 완전히 녹고 난 뒤에 온도를 측정해야 하는데 실험을 성급하게 진행하다 보니 얼음이 다 녹지 않은 채 온도를 측정하여 첫 번째 실험과 두 번째 실험의 오차값이 발생한 것 같다. 성급함 때문에 오차율과 얼음의 융해열이 다른 값이 야기된 주된 요인인 것 같다.

2. 측정값 

측 정 값	1회	2회	평균
①스티로폼 컵의 질량(g)	12.28g	12.28g	12.28g
②스티로폼 컵 + 뜨거운 물의 질량(g)	157.71g	155.2g	156.5g
③얼음을 넣기 전 뜨거운 물의 온도(℃)	78℃	81℃	79.5℃
④얼음이 다 녹은 후 최종(가장 낮은) 온도(℃)	17℃	5℃	11℃
⑤전체(스티로폼 컵+뜨거운 물+얼음) 질량(g)	291.58g	328.64g	310.11g

 

3. 융해열의 계산

물이 잃은 열량 = (mi×Hf) + 얼음이 얻은 열량

Mw×C×(Tf-Ti) = (mi×Hf) + (mi×C×(Tf-Ti))

계 산 값	1회	2회	평균
⑥뜨거운 물의 질량(g)	145.43g	142.92g	144.18g
⑦뜨거운 물의 온도 변화(△Tw, ℃)	-61℃	-76℃	-68.5℃
⑧뜨거운 물이 잃은 열량(△Qw,㎈,-(⑥×⑦×1))	8871.23㎈	10861.92㎈	9866.58㎈
⑨얼음의 온도(℃)	0℃	0℃	0℃
⑩얼음의 질량(g, ⑤-②)	133.87g	173.44g	153.66g
⑪얼음의 온도 변화(△Ti, ℃)	17℃	5℃	11℃
⑫얼음이 얻은 열량(△Qi, ㎈, ⑩×⑪×1)	6595.44g	867.2g	3731.3g
⑬얼음이 녹는데 쓰인 열량 (㎈, ⑧-⑫)	8868.95㎈	9994.72㎈	9431.84㎈
⑭얼음의 융해열(㎈/g, ⑬÷⑩)	49.27㎈/g	57.63㎈/g	53.45㎈/g
⑮이론값			79.9㎈/g
실험오차			33.1%

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 얼음의 융해열 측정으로 0℃ 의 얼음에 열을 가하면 물로 상 전이 하는데 이때의 소모되는 융해열을 열량계를 이용하여 측정하는 것이다. 실험 측정값은 위와 같으며 위 실험값들을 이용하여 융해열을 식에 대입하여 구해보면 53.45㎈/g의 융해열을 얻을 수 있다. 이 융해열은 물체가 열을 가하면 물체의 온도가 변하거나 물체의 온도는 변하지 않으나 물체의 상이 변하는 상전이를 하게 될 때 가해진 열로써 물체의 내부 에너지를 변화시키는데 소모된 열이라 할 수 있다. 이론값으로는 79.9 cal/g 로 실험은 통하여 얻은 실험값 융해열과 비교하여 보았을 때 차이가 많이 났다.

본 실험에서의 오차의 원인을 생각해보면 온도를 들 수 있다. 온도측정 시 온도계의 눈금이 미세하지 않아서 0.1℃ 단위의 온도를 측정하지 못해 어림측정을 하게 되었다. 온도는 융해열은 구할 때 많은 영향을 미치는 요소로 이를 어림측정을 하게 됨으로써 이론값과 실험값의 약간의 오차가 생기게 되었다. 또한 얼음이 상태변이 할 때의 그 순간인 0 ℃ 를 만들어야 하는데 이는 잘 실험되지 않아 정확히 0℃ 를 맞추기는 어려웠다. 본 실험은 얼음이 상태 변이 할 때의 필요한 열량을 측정하였고 이를 통해 물체의 온도에 따라 변하는 상태 변화와 그에 따른 숨은열을 이해 하였다.