물리화학실험 | Dew Point Temperature Measurement by He/Ne Laser - 빛의 회절을 이용한 이슬점 측정

 

 

 

TIP

 

 

회절된 레이저 빛의 세기를 이용하여 이슬점의 온도를 측정할 수 있다.

 

 

 

어떤 온도의 공기를 일정 압력하에서 온도만 내리면 그 관계 온도(또는 비교온도)가 점점 증대하여 결국에는 포화상태(포화공기)에 달하고 그 이후는 공기 중의 수증기가 응결(congulation)하기 시작한다. 이 한계의 온도를 처음 습윤공기의 노점(이슬점)이라고 한다. 다시 말하면 일정량의 습윤공기(절대습도 H)를 냉각해도 그 속에 함유되어 있는 수증기의 양은 불변이므로 H는 변하지 않지만 온도가 낮을수록 공기의 포화습도 HS의 값은 작으므로 당연히 H/HS의 비는 상대적으로 커지고 결국에는 이 비가 1(100%)이 된다. 다른 견해로는 온도 t에서의 어느 습윤 공기 중의 수증기 분압 PV와 같은 수증기의 분압을 가진 포화공기의 온도(PV에 대응하는 물의 포화온도) tD가 처음의 공기(온도 t)의 노점이다. 습윤공기의 노점을 측정함으로써 그속의 수증기 분압을 알고 따라서 관계습도(상대습도)를 구할 수 있다

 

 

이슬점(Dew Point)

일정한 압력하에서 온도를 내려서 공기가 포화되는 순간의 온도. 노점(露點)이라고도 한다. 공기 중에서 물체를 서서히 냉각시키면 그 주변 공기의 온도도 내려가서, 어떤 온도에 도달하면 공기 중의 수증기가 응결하여 물체의 표면에 이슬이 생기기 시작하는 온도이다. 이슬점 이하로 온도가 내려가면 대기 속의 수증기는 과포화 상태가 되어 어떠한 형태로든지 여분의 수증기를 물의 형태로 전환하려고 한다. 즉, 수증기를 포함한 대기의 기압과 수증기량을 변화시키지 않고, 기온을 떨어뜨렸을 경우, 수증기가 포화에 달할 때의 온도이다.

 

이슬점은 수증기의 양에 의해 결정되므로 공기 속에 있는 수증기의 양을 나타내는 기준이 된다. 처음의 기온이 같더라도 상대습도가 다르면 이슬점은 달라진다. 이른 아침에 비가 오지 않았는데도 지면(地面)에 있는 돌 따위의 표면이 젖어 있는 것은 야간복사에 의해서 돌의 온도가 이슬점 이하로 떨어져서, 수증기가 돌의 표면에 응결하기 때문이다.

 

한편, 상공으로 갈수록 기압이 낮아지므로 공기의 부피가 커져 수증기압이 감소한다. 따라서 이슬점이 낮아지는데 그 비율이 100m당 약 0.2℃ 감소한다. 이슬점은 건습구(乾濕球) 온도계를 사용해서 구할 수 있으나, 직접 이슬점습도계에 의해서 측정하는 경우도 있다. 이슬점온도계는 대기의 이슬점온도를 재는 측기로서 금속의 표면을 서서히 냉각시켜 이슬이나 서리가 생길 때의 온도를 측정할 수 있도록 한 온도계이다.

 

본 실험은 얼음과 물로 채워진 비커의 외벽 표면에서 물이 응축하여 얇은 수막을 형성함으로써 산란 효과가 커진다는 점을 이용하여 레이저로 이슬점을 측정하는 것 이다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) Set up the apparatus. Clamp the beaker in place on the stirrer. Add 100㎖ of pure water and the stirring bar to the beaker.

 

실제 실험기구의 배치 및 장치

 

① 위 그림과 같이 실험 장치를 준비하고 자기 교반기 위에 비커를 잘 고정시킨다.

② 비커에 100㎖ 정도의 물 (수돗물도 상관없음)과 자석막대를 넣고, 비커 안에 레이저가 잘 통과 할 수 있도록 조절한다. 꼭 100㎖ 가 아니어도 관계는 없으나, 레이저가 물에 닿도록 해야하므로 적정선까지 고려하여 증류수를 취하고, 온도계와 마그네틱 바가 부딪히지 않도록 유의하여야 한다.

 

2) Direct the laser beam tangent to the beaker. Clamp the thermometer in place.

① 비커에 레이저가 잘 통과 할 수 있도록 조절하고, 비커의 온도를 잘 측정할 수 있도록 온도계를 고정시킨다.

② 레이저가 산란되어 나오는 빛을 측정할 것이므로 최대한 가깝게 두고 실험에 임한다.

 

3) Position the light detector to continuously monitor the amount of laser light scattered from the glass surface in a predetermined, fixed direction.

① 비커 표면에서 산란되는 빛을 잘 감지할 수 있도록 detector의 방향과 위치를 잘 설정한다. detector가 레이저와 90도가 되도록 설치하고, 산란된 빛의 양이 매우 미량일 것이므로 detector역시 비커에 최대한 가깝게 설치한다.

② 비커 표면에서 회절 되는 빛을 잘 감지할 수 있도록 detector의 방향과 위치를 잘 설정한다.

③ 천천히 얼음을 첨가하면서 온도를 낮추고, 비커 표면에 물방울이 맺히는 이슬점의 온도를 잘 관찰하며 빛의 세기도 잘 관찰한다.

④ 물의 온도 변화에 따른 산란광의 세기를 그래프로 나타내라.

 

 

 

[물리화학실험]Dew Point Temperature Measurement by He/Ne Laser 레포트