일반물리학실험 | 열의 일당량

 

 

 

TIP

 

 

전류가 흘러 도선에서 발생된 열량을 측정하여 열의 일당량을 측정한다.

 

 

 

에너지 보존법칙은 에너지의 형태가 변화될 수 있으나 그 때의 에너지양은 변화되지 않음을 의미한다. 이러한 이유로 역학적 에너지는 열에너지로 열에너지는 역학적 에너지로 변화시킬 수 있다. 이 경우 1㎉의 열량이 몇 Joule에 해당하는가를 열의 일당량이라 한다. 따라서, 일 W와 열량 Q사이에는

 

W=JQ ······ (1)

 

의 관계가 성립하며 이 때 J가 열의 일당량이다. 한편, 저항 R의 저항선에 전류 I가 t초 동안 흐르면 열을 발생시키는데 이때 사용된 전기에너지는

 

W = I²Rt = VIt(J) ······ (2)

 

이다. 전기 에너지에 의해 발생된 열은 열량계 속의 물과 용기의 온도를 T1에서 T2로 상승시키며 이 열량 Q는

 

Q = C(m+M)(T₂-T₁) ······ (3)

 

이다. 여기서 m은 물의 질량, M은 용기, 교반기 및 온도계 등의 전체 물당량, 그리고 C는 물의 비열로서 1㎈/g․℃로 한다. 물당량은 물과 비열이 다른 물질의 비열을 문과 같다고 할 때, 물의 질량 얼마에 해당하는가를 뜻한다.

 

위의 식 (1), (2)와 (3)으로부터 열의 일당량은

 

 

가 된다. 이론값은 4.186J/㎈로 알려져 있다.

 

측정을 하는데 열량계의 몰당량(M) 측정과 열의 일당량(J) 측정의 두 단계로 나누어서 한다.

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실험 방법

실험 1. 열량계의 몰당량(M) 측정

1) 상온의 물을 150 ㎖(m₂)정도를 그림과 같이 전기 열량계에 담고, 전열선에 전기를 공급하여 전열선에서 발생하는 열에너지에 의해 물의 온도를 상승시킨다.

 

2) 물이 온도를 높이는 동안 비커나 메스실린더, 전자 저울 등으로 상온의 물 100 ㎖(m₁)을 측정하여 비커에 넣고 이때의 온도 T₁을 측정한다.

 

3) 전기 열량계의 온도계가 상온보다 10℃정도 올라간 다음에 전원장치의 스위치를 끄고, 교반기로 몇 차례 저어주어 전체가 일정한 온도에 도달되도록 한다. 온도가 일정한 평형 상태에 도달했다고 생각되었을 때의 온도 T₂ 를 측정한다.

 

4) 2)과정의 물을 전기 열량계에 붓는다. 그런 다음 교반기로 천천히 몇 차례 저어주어 전체가 평형 온도가 되었을 때의 온도 T₃를 측정한다.

 

5) 온도 T₁ 의 물 ㎖을 열량계에 부었을 때, 물 및 열량계가 방출한 열량은 물 이 흡수한 열량과 같다.

 

6) 열량계의 물을 버리고 공기 중에 개방하여 열량계가 상온의 상태가 되도록 기다린다.

 

실험 2. 열의 일당량(J) 측정

1) 그림과 같이 회로를 구성할 때는 전원이 차단되어 있는가를 확인한 후 회로를 꾸민다. 전원장치의 전류 공급단자는 완전히 차단된 상태이어야 한다.

 

전기열량계

 

2) 메스실린더나 전자저울 등을 이용하여 물 200 ㎖을 측정하여 열량계에 붓고 뚜껑을 닫는다.

 

3) 전원장치의 전원 스위치를 켜고 전류조절 손잡이를 천천히 돌려 전류가 1A정도가 되도록 한 다음 전원스위치를 끈다.

 

4) 열량계내의 물의 온도가 정상이 되도록 잠시 기다린 다음에 온도 T₁을 측정한다. 전원장치의 스위치를 켬과 동시에 초시계를 작동시킨다. 그리고 이때의 전류(I)와 전압(V) 값을 기록한다. 측정 중에는 전류나 전압이 변하지 않도록 주의해야 한다.

 

5) 물의 온도가 처음의 시작 온도보다 약 5℃정도 올라간 다음에 전원을 차단함과 동시에 초시계의 작동을 중지시킨다.

 

6) 교반기를 천천히 저어주어 전체가 평형상태가 되도록 한 다음 그 때의 온도 T₂를 기록한다.

 

7) 실험 1에서 구한 열량계의 몰당량(M)을 이용하여 전류에 의한 열의 일당량 J를 구한다.

 

8) 전압 값이 측정 도중 변경된 경우에는 처음값과 나중값의 평균을 취한다.

 

 

 

[일반물리학실험]열의 일당량 레포트