이 실험 소개
커피 컵 열량계에 고체를 넣고 온도 상승과 하강을 비교합니다. 이 장치는 온도 자체를 열로 취급하는 대신 용해 진행 정도를 측정된 온도와 연계합니다. 저어 주는 정도, 컵의 열용량, 열교환을 바꾸어 보면서 온도계의 늦은 측정값이 단열 온도 변화를 놓칠 수 있는 이유를 알아봅니다.
학습 목표
- 발열 용해와 흡열 용해를 구분합니다.
- 용액과 열량계에 저장된 열을 모두 계산합니다.
- 온도-시간 측정 중 실내와의 열 교환을 고려하세요.
사용 방법
- 1무수 염화칼슘을 넣고 초기 온도 상승 곡선을 기록하세요.
- 2염화암모늄으로 반복하고 온도 변화의 부호를 비교하세요.
- 3실내와의 열 전달을 0으로 설정하고 최종 온도를 단열 조건에서의 예측값과 비교하세요.
- 4열 교환을 늘리고 더 오래 측정한 뒤, 용해가 완료된 후에도 온도가 실내 온도 쪽으로 되돌아가는 이유를 설명하세요.
모델
가정
- 반올림한 고정 용해 엔탈피는 무수 CaCl₂의 경우 -81.3 kJ/mol, NH₄Cl의 경우 +14.8 kJ/mol이며, 몰 질량은 각각 110.98 g/mol 및 53.49 g/mol입니다. 수화물과 농도 의존성은 제외합니다.
- 혼합물 전체의 비열은 4.18 J/(g·K)이며, 선택한 컵의 열용량을 더합니다. 액체와 컵은 균일한 온도를 공유하고 실내 온도에서 시작합니다.
- 용해된 비율은 1 − exp(-kt)이며, k = 0.025 × (1 + 교반 설정)/초입니다. 뉴턴 열교환 모델은 선택한 열전도도를 사용합니다. 연성 온도 해는 해석적으로 구하며, 열전달의 부호는 그대로 유지됩니다.
수업에서 해 보기
- Q1물의 양이 서로 다른 경우, 온도 변화만으로 열량을 비교하기에 충분하지 않은 이유는 무엇인가요?
- Q2흡열 과정에서 실내로 전달되는 열이 음수가 될 수 있는 이유는 무엇인가요?
자주 묻는 질문
같은 염인데도 물의 양에 따라 온도 변화가 다른 이유는 무엇인가요?
방출되거나 흡수된 열은 서로 다른 총 열용량에 분배됩니다.
실내로의 열전달이 때때로 음수가 되는 이유는 무엇인가요?
흡열 용해로 컵의 온도가 실내 온도보다 낮아지면 실내에서 컵으로 열이 공급됩니다. 따라서 컵 밖으로 나가는 열은 부호를 고려할 때 음수가 됩니다.