일반화학실험 | 이산화탄소의 승화열 측정

 

 

 

TIP

 

 

1. 스티로폼 열량계를 이용해, 드라이아이스의 승화열을 측정한다.
2. 드라이아이스(고체 이산화탄소)의 승화열츨 측정하여 열에너지, 승화, 엔탈피 등의 개념에 대해 이해한다.

 

 

 

열역학 제 1법칙

물리학의 가장 기본적인 법칙의 하나는, 어떠한 물리적 변화에서도 그것과 관계되는 물체가 지닌 에너지의 합은 불변이라는 에너지 보존법칙이다. 열역학 제 1법칙은 이 에너지 보존법칙에 해당되는데, 특히 열이 에너지변화의 한 형태라는 것을 명시하여 다음과 같이 서술한다. “물체를 어떤 정해진 상태에서 다른 정해진 상태로 옮기기 위해 외계서 물체에 주어야 하는 열량과 일의 합은 어떠한 방법에 의해서도 일정하다."

 

즉, 상태 a에서 b로의 변화에 필요한 전체 에너지는 최초의 상태a, 최후의 상태b만으로 정해지며, 그 과정과는 관계없다. 여기서 역학적 에너지+전자기적 에너지+화학적 에너지 등을 총칭하여 일이라고 한다. 또 물체가 외계에 열이나 일을 주는 경우에는 그 양은 (-)값을 취한 것으로 한다. 만약 제 1법칙이 성립하지 않는다고 하면 a→b라는 상태변화와 그 역 변화 b→a를 다른 과정에서 일으킴으로써 무에서 에너지를 만들어 낼 수 있다. 즉 무에서 에너지를 만들어 내는 장치인 제 1종영구기관은 가능해진다. 따라서 제 1법칙을 ‘제 1종영구기관은 불가능하다.’라고 표현할 수 있다.

 

 

이산화탄소의 승화열

이산화탄소는 상온, 상압에서 기체로 존재하는 무색, 무미의 물질로 독특한 특성을 가지고 있다. 이산화탄소는 압력이 5.11 기압 이상이 되어야만 액체로 존재할 수 있고, 압력이 낮을 때는 기체, 또는 고체로만 존재할 수 있다. 흔히 “드라이아이스”라고 부르는 고체 이산화탄소는 -78.5℃가 되어야만 증기압이 1기압이 되기 때문에 상온에서 드라이아이스는 고체가 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 “승화”현상이 관찰된다. 드라이아이스는 승화할 때 주위로부터 상당한 열을 흡수하기 때문에 온도를 낮추기 위한 냉매로 많이 사용된다.

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실험 방법

실험 A. 뜨거운 물을 사용하는 방법

1) 수돗물 250㎖를 50℃ 정도로 가열한다.(주의:물의 온도가 너무 높아지면 물이 기화되는 속도가 빨라서 무게가 자꾸 변함.)

 

2) 200㎖ 정도의 스티로폼으로 만든 컵으로 열량계를 만드는데, 외부로의 열 손실을 줄이기 위해 스티로폼으로 만든 컵 3개를 겹쳐서 질량을 측정한다.(주의 : 온도계 미리 고정.)

 

3) 50g 정도의 드라이아이스를 수건이나 두꺼운 종이타월 속에 넣은 다음 작은 망치로 두 드려서 설탕가루 정도로 잘게 부순다.

 

4) 열량계와 같은 방법으로 3개의 컵을 겹쳐서 질량을 측정하고, 약 15g정도의 드라이아이스 가루를 넣는다. (주의 : 드라이아이스의 기화속도가 빨라서 무게 재는 것이 어려움. 되도록 저울 가까이에서 실험) 재빨리 솜으로 막는다.

 

5) 뜨거운 물 60㎖ 정도를 열량계에 넣고 질량을 측정하고, 온도를 측정한다.

 

6) 드라이아이스가 들어있는 컵의 질량을 측정한 다음 곧바로 뜨거운 물이 담긴 컵에 쏟 아넣고 젓개로 잘 저어준다. (온도계를 젓개로 사용하면 안 된다.)

 

7) 약 5～10분정도 기다리면 드라이아이스가 모두 없어지고 소용돌이도 멈추어진다. 이때 온도계를 다시 넣어서 온도를 측정한다. 온도가 더 이상 내려가지 않아야 한다. (주의 : 온도계가 꼭 물에 잠기도록 한다.)

 

8) 같은 실험을 2～3차례 더 반복한다.

 

실험 B. 차가운 물을 사용하는 방법

1) 실험 A에서와 같이 3개의 스티로폼 컵을 겹쳐서 열량계를 반든다.

 

2) 15㎜두께의 스티로폼 판을 가로와 세로가 10㎝정도 되도록 잘라서 뚜껑을 만들고, 깔때기와 온도계를 넣을 수 있도록 구멍을 만든다.

 

3) 작은 풍선을 깔때기에 매달아 열량계를 완성한다. 열량계가 넘어지지 않도록 온도계를 수직으로 세우고, 컵 속에 100㎖ 정도의 물이 들어 있을 때 풍선의 절반 정도가 물속에 들어갈 수 있어야 한다.

 

4) 완성한 열량계의 질량을 측정한다.

 

5) 컵 속에 상온의 물을 100㎖ 정도 넣고 다시 질량을 측정한다.

 

6) 잘게 부순 드라이아이스 4～8g의 질량을 정확하게 측정해서 재 빨리 깔때기에 부어 넣는다. 드라이아이스가 모두 물속에 잠겨있는 고무풍선 속으로 들어가야 한다. 컵을 저울 위에 올려놓은 상태에서 적당한 양의 드라이아이스를 부어넣고 재빨리 저울의 눈금을 읽어도 된다. (주의 : 드라이아이스 가루가 깔때기를 막으면 깔때기 위에서 승화되어 버리므로 되도록 잘게 부수어서 사용)

 

7) 온도가 더 이상 내려가지 않을 때까지 컵을 건드리지 말고 기다린다. 온도가 최초로 내려간 다음에 컵을 조용히 흔들어주고 물의 온도를 다시 측정한다. (주의 : 열량계의 뚜껑을 열지 않도록 유의)

 

8) 같은 실험을 2～3차례 반복한다. 물을 담았던 종이컵은 버리고 새로운 종이컵을 사용하여 질량 측정

 

 

[일반화학실험]이산화탄소의 승화열

 

 

[일반화학실험]이산화탄소의 승화열 측정 레포트