[대기과학실험]끓는점과 압력과의 관계

실험 목적

물의 끓는 점은 기체압력에 따라 달라진다. 물이 끓는 현상은 액체의 증기압력이 외부압력과 같아지는 것을 뜻하며, 이를 액체의 증기압 곡선으로 설명할 수 있다. 이 실험을 통해 우리는 물의 끓는점과 압력과의 관계를 알아보고자 한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

물의 끓는점 온도는 1기압 하에서 섭씨 99.975도씨(국제온도눈금-1990, ITS-90: 1990년부터 사용되는 국제온도눈금의 정의에 따름)이다.

그림 1 물의 상변화 곡선

압력에 따른 어떤 한 물질의 끓는 온도의 변화는 phase diagram에 따라 달라진다. 그림은 어떤 한 물질의 phase diagram으로, 가로축은 온도 세로축은 압력을 나타내며 이들 온도-압력의 변화에 따라 물의 성질이 고체만 존재할 수도 있고 액체 또는 기체로만 존재할 수 있다. 고체, 액체의 경계선은 고체와 액체만 공존하는 상태를 의미한다. 따라서 물의 끓는점이라 하면 그림에서 액체와 기체의 경계선을 의미한다. 

그림에서 1기압 하에서 물의 끓는점부터 물의 삼중점 까지 압력이 감소하면 물의 끓는 온도가 비교적 비례하여 낮아지는 것을 볼 수 있다. 물의 삼중점 아래에서는 물의 끓는점이 존재하지 않게 된다. 물의 삼중점 온도는 ITS-90에 섭씨 0.01도씨로 정의되어 있다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

① 삼각플라스크, 기압압력센서, 온도센서, 실리콘튜브, T자관, 고무마개, 삼발이

② 석면그물망, 알콜램프, 성냥, 스탠드, Vernier LabPro, 시트르산, 얼음

 

실험 방법

1. 실험 과정

① 컴퓨터와 MBL 인터페이스를 준비한다.

② 아래 그림과 같이 기체압력센서, 온도센서를 설치하고 실리콘튜브는 T자관에 연결하지 않은 상태로 한다.

③ T자관의 다른 한쪽 끝은 고무마개 등으로 잘 밀봉한다.

④ 온도센서와 삼각플라스크의 고무마개 부분에서 기체가 새지 않도록 실리콘으로 밀봉한다.(준비된 상태)

⑤ 삼각플라스크에는 미리 충분한 양의 물과 시트르산 약 2스푼 정도를 넣고 준비를 해놓고 T자관의 한쪽 끝을 연다.

⑥ Vernier LabPro 실험 설정에서 실험시간을 충분히 길게 설정하고 측정 간격을 0.2초로 하여 실험을 시작한다.

⑦ 알콜램프에 불을 붙여 가열하고 실험을 진행하면서 기포가 올라오는지 관찰한다.

⑧ 기포가 올라오기 시작하면 불을 끄고 고무마개로 입구를 막고 Collect를 눌러 결과를 수집한다.

⑨ 기포가 발생하지 않을 경우 얼음을 플라스크 윗부분에 문질러 기포가 생기도록 한다.(번호는 다음과 같다; ①기체압력센서 ②온도센서 ③T자관 ④고무마개 ⑤온도센서일부 ⑥알콜램프 ⑦실리콘튜브)

그림 2 물을 가열하는 과정

그림 3 기체압력센서 연결 과정

 

주의 사항

1. 물을 끓이는 실험이므로 불이나 손이 데이지 않도록 주의한다.

2. 온도를 측정하는 센서는 플라스크에 닿지 않도록 하고 물에 잠기는 것이 좋다.

3. 플라스크 안의 기압이 낮아지면 급격한 냉각이나 또는 과열에 의해 파손의 우려가 있으므로 주의한다.

4. 물을 가열할 때는 T자관의 한쪽 끝을 반드시 열어 두어 삼각플라스크의 수증기가 밖으로 빠져나갈 수 있도록 한다.

5. 알콜램프의 불을 끄고 삼각플라스크를 천천히 식히는 과정에서만 T자관의 한쪽 끝을 막고 압력을 측정한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

그림 4 끓는점과 압력과의 관계

그림 5 끓는점과 압력과의 관계

 

토의 사항

1. 실험 고찰

① 물이 끓는 것은 무엇을 의미하는가?

물이 끓는 현상은 액체의 증기압력이 외부압력과 같아지는 것을 뜻하며, 상평형 곡선에서 물의 끓는점이라는 것이 그림에서 액체와 기체의 경계선을 의미함을 알 수 있다. 특히, 1기압 하에서 물의 끓는점부터 물의 삼중점 까지 압력이 감소하면 물의 끓는 온도가 비교적 비례하여 낮아지는 것을 볼 수 있다.

 

② 압력과 끓는점과의 관계를 식으로 나타내시오.

위 두 그래프에서 나온 결과를 통해 대략 압력을 P, 끓는점을 T라고 할 때

T(℃) = 0.346P + 67.2

 

③ 고도에 따른 기온감률이 6.5℃/㎞, 공기의 밀도가 1㎏/㎥, 체온이 36.5℃라고 할 때 얼마나 올라가면 체내의 혈액이 끓겠는가?

h만큼 올라갔을 때의 압력

P= -ρgh + P0

위 끓는점-압력 식에 대입하면

T = -0.346ρgh + 0.346P0 + 67.2

h에 대해 풀면

h = (0.346P0+67.2-T)/0.346ρg

그런데 원 식에서 항상 T>67.2℃ 이어야 하므로 T=36.5℃에서는 절대 끓을 수 없다.

 

2. 오차의 원인

① 오차원인

- 끓는점을 찾는 과정에서 그 기준이 명확하지 않았다.

- 아무리 꽉 막았다고는 하지만 외부와의 공기의 흐름이 조금이라도 존재하기 마련이다.

- 불균등한 냉각에 의해

 

② 개선점

- 끓는점에 대한 기준이 애매하기 때문에 끓음이 멈추는 시점을 일일이 기록하는 것도 하나의 방법이 될 수 있다.

- 처음부터 주어진 실험재료들을 완전히 결합시켜 사용한다.

 

3. 결론

실험 제목만 보면 단순히 끓는점과 압력과의 관계로써 쉽게 느껴질 수 있다. 실제로, 중학교 때에도 그 관계에 대해서는 이미 생각해보고 배운 바가 있다. 그러나 이번 실험을 통해서 그 관계에 대하여 수식까지 찾아보고 실제로 여러 문제에 적용시켜 보았다는 점에서 의미 있는 실험이었다고 본다.