이 실험 소개
냉동실에서 꺼낸 얼음을 핫플레이트 위에 놓고 매분 온도계의 값을 읽습니다. 온도가 올라가다가 얼음이 녹는 동안 0 °C에서 멈추고, 다시 올라간 뒤 물이 끓으면 두 번째로 멈춥니다. 이 실험에서는 가열 곡선이 변하는 모습을 실시간으로 그래프로 그리고 내부 입자도 보여 줍니다. 질량, 가열기 출력, 초기 온도를 바꾸거나 물이 100 °C보다 낮은 온도에서 끓는 산으로 실험을 옮겨 보세요.
학습 목표
- 가열 곡선의 모양을 설명하고 각 구간에서 물이 어떤 상태인지 말하세요
- 물질이 녹거나 끓는 동안 온도가 일정하게 유지되는 이유를 설명하세요
- Q = mcΔT와 Q = mL을 사용하여 각 단계에 필요한 에너지를 계산하세요
- 얼음을 녹이는 데 필요한 에너지와 물을 끓이는 데 필요한 에너지를 비교하세요
- 끓는점과 기압의 관계를 설명하세요
사용 방법
- 1가열을 누르고 온도계를 관찰하세요. 그래프의 평평한 부분마다 일시 정지하고 용기 안에 무엇이 있는지 설명하세요.
- 2입자 보기를 사용하여 각 상태에서 입자의 배열과 운동이 어떻게 변하는지 설명하세요.
- 3두 평평한 부분의 길이를 비교하세요. 어떤 상태 변화에 더 많은 에너지가 필요한가요? 표시값으로 확인하세요.
- 4얼음의 질량을 두 배로 늘리세요. 곡선의 어느 부분이 더 길어지나요? 그런 다음 가열기의 출력을 두 배로 늘려 보세요.
- 5얼음, 물, 수증기 부분의 기울기를 비교하세요. 어떤 물질의 비열 용량이 가장 큰가요?
- 6고도를 에베레스트산 정상(8849 m)까지 높이세요. 새로운 끓는점을 찾고, 그곳에서 파스타가 천천히 익는 이유를 설명하세요.
모델
가정
- 주변으로 열이 손실되지 않고 히터의 출력은 모두 물에 전달된다고 가정합니다.
- 용기가 피스톤으로 밀폐되어 있어 증기는 일정한 압력으로 용기 안에 머물며 더 가열될 수 있습니다. 개방된 비커에서는 증기가 빠져나가므로 곡선의 마지막 부분을 볼 수 없습니다.
- 물을 저어 주므로 시료 전체의 온도가 같습니다. 비열 용량과 잠열은 일정하다고 가정합니다.
- 기압은 고도에 따라 감소하며, 척도 높이는 8.4 km입니다. 녹는점은 압력에 거의 영향을 받지 않으므로 0 °C로 유지합니다.
- 입자 그림은 입자의 배열과 상대적인 속도를 나타낸 것이며, 분자 시뮬레이션이 아닙니다.
수업에서 해 보기
- Q10 °C의 얼음 0.2 kg을 녹이는 데 얼마나 많은 에너지가 필요할까요?
- Q21500 W 전기 주전자에 20 °C의 물이 1.2 kg 들어 있습니다. 열 손실이 없다면 물이 100 °C에 도달하는 데 얼마나 걸릴까요?
- Q3100 °C의 증기에 데인 상처가 100 °C의 끓는 물에 데인 상처보다 더 아픈 이유는 무엇인가요?
- Q4같은 히터를 사용하는데도 액체 상태의 물을 나타내는 선이 얼음을 나타내는 선보다 기울기가 완만한 이유는 무엇인가요?
- Q5실험에서는 녹는 부분의 곡선이 평평하지 않고 기울어져 있는 경우가 많습니다. 그 이유를 두 가지 제시해 보세요.
자주 묻는 질문
온도가 변하지 않을 때 에너지는 어디로 가나요?
입자의 위치 에너지를 증가시킵니다. 녹거나 끓을 때는 입자 사이의 인력을 거슬러 입자들을 서로 떼어 놓으므로, 에너지는 입자를 더 빠르게 움직이게 하는 대신 저장됩니다. 이렇게 저장된 에너지는 증기가 응축되거나 물이 얼 때 다시 방출됩니다.
끓는 데 걸리는 시간은 녹는 데 걸리는 시간보다 왜 훨씬 긴가요?
녹을 때는 결정 구조가 느슨해질 뿐, 액체 상태의 물속 입자들은 여전히 서로 맞닿아 있습니다. 끓을 때는 입자들을 완전히 분리해야 하므로 킬로그램당 거의 7배나 많은 에너지가 필요합니다(334 kJ에 비해 2260 kJ).
이 실험을 수업 시간에 해도 되나요?
네. 비커에 으깬 얼음을 넣고 교반 막대와 온도계를 사용해 분젠 버너나 핫플레이트 위에서 가열하세요. 물이 끓기 시작한 뒤 몇 분 동안 30초마다 온도를 측정합니다. 비커는 열을 잃고 내용물이 고르게 섞이지 않으므로, 여기처럼 평평한 구간이 뚜렷하게 나타나지는 않을 것입니다.