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Exp_Old. 열의 일당량 측정(Electrical Equvalent Of Heat)
1. 실험목적
전기에너지와 전류의 열 작용으로 발생된 열량을 측정하여 열의 역학적 일당량을 측정한다.
2. 원 리
역학적 에너지는 열에너지로, 열에너지는 역학적 에너지로 변화 시킬 수 있다. 이때, 1Kcal가 일 몇 Joule에 해당하는가를 열의 일당량이라 한다. 따라서, 일 W와 열량 Q 사이에는
W = JQ ------------------(1)
의 관계가 성립하며 비례상수 J는 열의 일당량 이라한다.
한편, 저항 R의 저항선에 전류 i가 t초 동안 흐르면 열을 발생시키는 데 사용된 전기에너지는
W = i2Rt = Vit -------------(2)
이다. 전기에너지에의해 발생된 열은 열량계 속의 물과 용기의 온도를 θ1에서 θ2로 상승시키며, 이 열량 Q는
Q = C(m+M)(θ1-θ2) ----------(3)
이다. 여기서 m은 물의질량, M은 용기, 교반기 및 온도계 등의 전체 물당량, 그리고 C는 물의 비열로서 1cal/g℃ 로 한다. 물당량은 물질의 비열을 물과 같다고 할 때 물의 질량 얼마에 해당하는가를 뜻한다.
위의 식(1),(2)와 (3)으로부터 열의 일당량은
 ---------(4)
가 된다. (cgs 단위로는 1J=107erg로 환산)
3. 기구 및 장치
(1) 전기열량계
(2) 전원장치(전압,전류계 부착)
(3) 디지탈온도계(1-100℃ 레인지) 및 온도센서막대
(4) 초시계(Stop Watch)
(5) 메스실린더(200 mℓ=200 cc)
4. 실험방법
실험은 열량계의 물당량 측정과 열의 일당량 측정의 두 단계로 나누어서한다.
1) 열량계의 물당량측정
① 전원이 off 되어 있는가를 확인하고 [그림1]과 같이 회로를 꾸민다.
② 상온의 물 150cc(=m1)를 메스실린더로 재어 열량계에 붓고 뚜껑을 닫는다.
(주의: 최소한 150cc정도 부어야 용기내의 히터 코일에 잠김!)
③ 디지탈온도계용 코드(110V)를 꼽고 센서막대를 연결했을때 현재의 온도가 디스플레이에 표시 되는가를 확인한다. (안되면 담당조교에게 문의, 교체한다.) 센서 막대를 용기에 꼽고 채널을 맞춘다음 전원장치를 연결한다.
[그림1] 열의 일당량 측정장치 |
[그림2] 열량계 |
④ 전원전류를 1-1.5A 정도로 물을 서서히 가열하면서 약 50℃ (=Θ1) 가 되면 전원을 끊는다.
⑤ 메스실린더에서 눈금을 맞춰 수돗물 100cc(=m2)를 붓고 온도 Θ2를 잰다.
⑥ 물 100cc(=m2)를 열량계에 붓고 교반기로 저어 전체가 일정한 평형상태가 되었을 때, 온도 Θ3를 측정한다.
⑦ 온도 Θ2의 물 m2g을 열량계에 부었을 때 열량계가 방출한 열량은 m1이 흡수한 열량과 같다. 즉,
열량계가 방출한 열량 = m2가 흡수한 열량
C(m1+M)(Θ1-Θ3) = Cm2(Θ3-Θ2)
여기서 M은 열량계의 물당량(용기,교반기,온도계 등을 물로 보았을때의 질량) 이라한다.
2) 열의 일당량 측정
① 메스실린더로 물 150cc를 재어 새로 열량계에 붓고 앞의 물당량측정 과정 ①-②와 같이 디지탈 온도계와 전원을 연결한다.
② 전원을 on하고 손잡이를 시계방향으로 돌려가면서 전류계의 눈금이 1-1.5A가 되도록 적당히 맞춘다.
③ 5분정도 지난후 열량계 내의 온도 Θ1를 측정(교반기를 상하로 잘 저어주어 측정)하여 기록하고 동시에 초시계를 누른다. 그때의 전류 i와 전압 V1을 기록한다.
④ 전류계를 계속 관찰하면서 전류가 변하면 전원 슬라이닥스 손잡이를 돌려가며 전류를 일정하게 유지한다.
⑤ 물의 온도가 처음보다 2℃높아지는 단계별로 10℃까지 증가할때 온도와 시간을 기록해둔다.
⑥ 실험 중간 중간에 교반기를 잘 저어주어 열량계가 열 평형 상태를 이루도록한다.
⑦ 위의 데이타에서 물이 1℃ 올라가는데 소요되는 시간을 평균하여 구하고 전류에의한 열의 일당량 J를 구한다.
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[결과보고서] |
1. 실험값 및 결과
(1) 열량계의 물당량
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꿇인 물의 질량과 온도 |
섞은 상온의 물 |
최종 평형상태의 온도 |
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m1= g, θ1= ℃ |
m2= g, θ1= ℃ |
θ3= ℃ |
(2) 열의 일당량
| 물의 질량 m = g |
평균 전압 V = V |
| 처음 물의온도 θ1= ℃ |
전 류 I = A |
| 나중 물의온도 θ2= ℃ |
시 간 t = sec | ∴ 열의 일당량 J= ×107 (erg/cal) = (J/cal)
2. 결과 및 토의
3. 참고문헌
[질 문]
1.열량계의 물당량의 실험값을 계산값과 비교해 보라. 열량계의 물통 밑에는 질량이 표기 되어있고 재질은 '동'이다.
2.전류와 전압이 실험 중 일정하게 유지되지 않는 이유를 설명하라. | |
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실험실소개
국제캠퍼스
일반물리실험1
1.
