물리화학실험 | 오스트발트 점성도계 및 공 낙하법을 이용한 점도 측정

 

 

 

TIP

 

 

오스트발트 점성도계와 공 낙하법을 사용하여 액체의 점성도를 측정하고, 액체의 점성도에 온도가 미치는 영향을 알아본다.

 

 

 

점성 (viscosity)

점성은 유체나 기체의 흐름에 대한 내부 저항으로, 유체의 흐름에 대한 저항의 척도로 정의할 수 있다. 즉 평행한 두 판 사이에 유체가 채워져 있을 때, 한쪽 판을 이동시킨다면 유체의 종류에 따라 평판을 움직이는데 필요한 힘의 크기가 달라지는데, 이 때 점성이 큰 유체일수록 더 큰 힘을 필요로 하게 된다.

 

이러한 점성은 마찰과 마찬가지로 움직이는 물체의 운동에너지를 열에너지로 변환시킨다. 즉 마찰이 없을 때 물체가 일정한 속력으로 계속 운동할 수 있는 것처럼, 점성이 없는 유체에서 움직이는 물체는 점성에 의한 저항이 없으므로 유체 속에서 일정한 속력으로 계속 움직일 수 있다. 예를 들면 이상유체에 떠 있는 배는 아무리 프로펠러를 돌려도 움직이지 않지만 일단 배가 움직이면 일정한 속력으로 움직인다. 이때는 프로펠러가 필요 없다.

 

또한 점성은 액체뿐만 아니라 작지만 기체에도 있는데, 기체가 들어있는 두 부위를 약간 압축하면 변형되지만, 누르는 힘을 제거하면 원상태로 돌아오는 성질이 있다. 운동하는 액체나 기체 내부에 나타나는 마찰력이므로 내부마찰이라고도 한다. 이 마찰력은 유체 각 부분이 서로 다른 속도로 운동할 경우, 그 속도가 균일하게 되도록 작용하는 힘으로 나타난다.

 

예를 들면 물 분자가 상대적인 운동을 할 때 분자 간 또는 물 분자와 고체경계면 사이에 마찰력을 유발시키는 물의 성질을 말하며, 이것은 물 분자 간의 응집력 및 물 분자와 다른 분자 간의 점착력 등 상호작용에 의하여 나타난다. 물 내부에 상대운동이 있으면 점성 때문에 경계면에서 운동에 저항하는 내부마찰이 작용하여 상대운동은 차차 감소한다. 이상유체가 아닌 모든 실제유체는 점성이라는 성질을 가지며, 유체 흐름에 저항하는 값의 크기로 측정되고, 단위 면적당 힘의 크기로서 점성의 점도를 나타낸다.

 

 

온도와 점성의 관계

온도에 따른 점성의 변화는 기체와 액체에서 각각 다른 양상을 나타내는데, 기체의 점성은 온도가 증가할수록 함께 증가하고, 액체의 점성은 온도가 상승하면 감소한다. 이것은 기체의 주된 점성 원인이 분자 상호간에 운동으로, 온도가 상승함에 따라 분자의 운동량이 증가하여 분자 사이의 마찰력이 증가하기 때문이고, 반면에 액체는 분자간 응집력이 점성의 주된 요인이기 때문에, 온도가 상승하면 분자 사이의 결속력이 약해져 점성이 약해지게 된다.

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실험 방법

1. 오스트발트 점성도계법

1) 오스트발트 점성도계를 뜨거운 세척용액(크롬산 용액)등으로 철저히 닦는다. (증류수로 5회 이상 세척)

 

2) 피펫으로 증류수를 표지 a와 b사이 & 아래쪽 큰 공을 1/3 정도 채울 수 있을 만큼 점성도계에 넣는다. (큰 공에 들어있는 물의 부피는 a와 b 사이에 있는 양보다 훨씬 많다.)

 

3) 점성도계를 항온조 속에 넣고 열평형이 될 때까지 기다린다.

 

4) 점성도계의 모세관의 위쪽에 고무관을 연결하고, 액체를 공 A의 윗금(a) 조금 위까지 끌어 올린다. (피펫필러 사용)

 

5) 수면이 표지 a에서 표지 b까지를 흘러내리는 데 걸리는 시간을 측정한다.

 

6) 25.0℃, 30.0℃, 35.0℃에서 반복 측정한다.

 

7) 메탄올로 2)∼6)을 반복 수행한다.

 

2. 공 낙하법

1) 길이 300㎜, 지름 32㎜ 정도의 관을 준비하고, 볼베어링을 넣을 수 있도록 관의 마개에 지름이 8㎜ 정도 되는 유리관을 끼워둔다.

 

2) 버니어캘리퍼스로 볼베어링의 평균 지름을 측정하고, 평균부피를 계산한다.

 

3) 볼베어링 몇 개의 무게를 측정한 뒤, 각 평균부피와 평균밀도로부터 밀도를 계산한다.

 

4) 공 낙하 관에 글리세롤을 채운 뒤, 25.0℃로 조정한 항온조 속에 넣는다.

 

5) 약 30분간 방치하여 글리세롤이 항온조의 온도와 평형을 이루게 한 뒤, 초시계로 네 개의 공들이 표지 a에서 표지 b까지 떨어지는 데 필요한 시간을 각각 측정한다. (측정 후, 시간들의 평균값 계산)

 

6) 온도를 35.0℃로 조정해 놓은 항온조에 관을 넣고 실험을 되풀이한다.

 

7) 메탄올이나 기타 용매로 잘 닦은 후 장뇌유를 써서 35.0℃에서 다시 측정한다.

 

 

 

[물리화학실험]오스트발트 점성도계 및 공 낙하법을 이용한 점도 측정 레포트