Exp_Ref. 고체의 비중 및 액체의 표면장력
1. 실험목적
여러가지 고체에 대해 그 물질에 대한 고유값, 밀도 및 비중(specific gravity)을 측정하고, 액체에서 부드러운 용수철 저울을 이용하여 표면장력을 측정한다.
2. 원 리
(1) 고체의 비중측정
온도 T℃ 에서의 물질의 단위체적당 질량을 그 온도에서의 물질의 밀도(단위는 g/cm3)라 한다.
그리고 온도 T℃ 에서의 물질의 밀도와 4 ℃ 에서의 순수한 물의 밀도(1로 정의됨)와의 비를 그 물질의 T℃ 에서의 비중이라 하며, 비중은 단위가 없는 무명수이고 밀도와 같은 값을 갖는다. 따라서, 어떤 물체의 무게를 W, 그 물체와 같은 부피를 가진 온도 T℃의 물의 무게를 wT, 이 온도에서의 물의 비중을 ST 라고 하면, 그 물체의 비중 S는 다음과 같다.
S=(W/wT)ST -------------------------(1)
한편, 밀도 또는 비중을 측정하기 위한 편리한 방법은 `아르키메데스(Archimedes)의 원리'를 이용하는 것이다.
"어떤 물체를 액체속에 담그면 그 물체는 잠겨진 물체의 부피만큼의 액체의 무게가 연직방향으로 작용한다." 이 힘을 부력 이라고 부르고 이 부력은 배제된 액체의 중심에 작용한다.
[그림1] 비중측정 |
Jolly 용수철 저울에 의한 방법은 물체의 공기중에서의 무게와 물속에서의 무게를 각각의 용수철의 길이변화로 측정하여 비중을 구한다.
용수철저울에 달린 용수철 눈금의 기준점을 n0라 하고, 공기중에서의 물체의 무게(W)에 해당하는 눈금을 n1, 또 물속에서의 물체의 무게에 해당하는 눈금을 n2라 하면 n1-n0는 물체의 공기 속에서의 무게에 비례하고 (W ∝ n1-n0), n2-n0는 물속에서의 무게(Fw)에 비례하게 된다.(Fw∝ n2-n0) 물 속에서, 물이 물체에 작용하는 힘(부력) 만큼 공기중에서의 물체 무게를 감소시킨 결과가 되었으므로 (즉, W-Fb=Fw), 물체와 같은 부피의 물의 무게(부력 Fb=W-Fw)는 n1-n2가 되며 물체의 비중 S는 다음과 같이 된다. | S=(n1-n0/n1-n2)ST -------------------(2)
여기서 ST는 T℃ 에서의 물의 비중이다.
역으로 우리는 임의의 형태의 시료에 대해 그 밀도값을 알면 그것이 어떤 물질인지 알수 있을것이다.
일반적으로 물체의 밀도가 유체의 밀도보다 작을때 -즉, 물에서는 비중이 1 보다 작을때- 물체는 유체위로 뜨게 되고 유체에 잠기는 물체의 비율은 유체의 밀도에 대한 물체의 밀도의 비로 주어진다.
예를들어 비중이 0.6인 통나무를 물위에 놓았을때 물에 잠기는 물체의 비율은 통나무 전체 부피의 0.6배가 된다는 것을 의미한다.
(2) 액체의 표면장력 측정
물이 똑똑 떨어지는 수도꼭지 끝의 물방울이나 가지에 매달려있는 이슬은 마치 물이 가득차있는 작은 풍선처럼 거의 공 모양을 형성하고 있다. 곤충이 물위에 떠 있는 현상, 직경이 매우 작은 관을 물에 담가두면 관을 따라 물이 끌려 오라가는 모세관 현상 등은 모두 표면장력으로 해석될수 있다.
액체 내부의 분자들은 사방으로 다른 분자들에 의하여 둘러 싸여져 있으나 표면에서는 표면분자 위에있는 분자는 없다. 만약 한개의 표면분자가 약간 올라오면 그 분자와 그 주위의 분자사이의 분자결합이 당겨져서 표면쪽으로 분자를 당기는 복원력이 생긴다. 때문에 액체 표면은 다시 평평하게 되고, 마치 당겨진 탄성막과 같은 상태를 유지하려 한다.
여기서는 물의 표면장력을 측정하기 위해 내경 및 외경이 각각 2r1, 2r2인 원통형 테(ring)를 [그림2]과 같이 액체 표면에 접촉시키고, 액체 표면을 원통형테에 차차 가까이하여 그것이 액체에 완전히 잠기면 서서히 액체 표면이 아래로 내려오게 하여 원통형 테와 액체 표면이 막 떨어지려는 순간에 멈춘다. 그때의 액체의 높이 h와 용수철의 탄력 mg를 측정하여 표면장력 T를 측정한다. [그림2]에서 원통형 테를 아래쪽으로 끄는 총 장력과 액주의 무게의 합은 용수철의 탄력 mg와 같다. 즉,
[그림2] 액체기둥 |
2p(r1+r2)T+p(r12-r22)hrg=mg ------(3)
이다. 여기서 r는 현재 온도에서의 액체의 밀도이다.
식(3)로부터 표면장력은
 -----(4)
가 되고, 원통형 테가 아주 얇아 r1@r2 일때 위식 (4)의 제 2항은 무시되어
T=mg/4pr -------------------------(5)
가 된다. |
3. 기구 및 장치
(1) 실험용 스텐드
(2) 비이커 (250-300ml)
(3) 온도계
(4) 접시 (2), 링 (1)
(5) 추(500mg,1g,2g), 핀셋
(6) 비중 측정용 용수철, 표면장력용 용수철
(7) 시료(Fe,Cu,Pb,황동 등) 및 핀셋
(8) 버니어캘리퍼(Vernier Caliper)
4. 실험방법
(1) 고체의 비중측정
[그림3] 비중측정 장치 |
용수철 저울은 [그림3]과 같으며 (비중용)용수철의 탄력을 이용하여 무게를 길이의 단위로 측정하는 장치이다. 용수철의 윗 부분은 스텐드 끝에 실로 고정되어 있으며, 아래쪽에는 두개의 접시 B와 C가 달려 있고, 받침대 D는 아래위로 움직여 고정 시킬 수 있다.
①스탠드 발의 수평조절나사를 돌려 용수철과 거울 눈금자가 연직되게 한다.
② 비이커에 물을 2/3정도 채우고 받침대 위에 올려 놓는다.
③ 받침대 나사를 풀어 위로 올리고 아래접시가 물에 잠기게하고 고정 시킨다.
④ 받침대 밑에있는 마이크로메타 나사를 돌려 저울의 아래접시가 실험자가 택한 임의의 비이커 눈금까지 오도록 한다. 이때 저울의 윗접시는 물에 닿지 말아야한다. 용수철의 끝부분 지표가(기준점은 실험자가 적당한 위치를 선택) 가리키는 눈금 n0를 읽는다.
⑤ 받침대를 고정한 상태에서 용수철 저울을 살짝 들어내고 윗접시에 측정 시료를 얹은후 그때의 공기중에서의 무게를 가리키는 지표눈금 n1을 읽는다.
⑥ 다시 윗접시에 있는 측정시료를 물에잠긴 아랫접시로 옮겨놓고 늘어난 지표눈금 n2를 읽는다.
⑦ 이상의 측정 과정을 5회 되풀이 하여 기록한다.
⑧ 비이커 속의 물의 온도 T를 측정하고 n0,n1,n2 및ST(부록참조) 값을 사용하여 물체의 비중 S를 계산하고 그 평균값을 구한다.
⑨ 시료를 바꿔가며 위의 과정을 반복하여 물체의 비중을 측정한다. |
(2) 액체의 표면장력 측정
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일반물리실험1
1.
