본문내용
1. 실험 개요 및 배경
1.1. 연료의 연소 과정과 발열량
연료의 연소 과정과 발열량은 다음과 같다.
연료의 연소 과정은 화학반응을 통해 연료와 산화제(주로 산소)가 결합하면서 열에너지가 방출되는 과정이다. 연소 반응은 발열반응으로, 연료 중의 화학 결합 에너지가 열에너지로 전환되어 외부로 방출된다. 이때 방출되는 열에너지의 양을 연료의 발열량 또는 열량이라고 한다.
발열량은 연료의 단위 질량 또는 단위 몰당 연소 반응에서 생성된 열에너지의 양으로 정의된다. 발열량은 연소 반응 전후의 엔탈피 변화량으로 계산할 수 있으며, 연료의 화학적 조성과 관련이 있다. 일반적으로 탄소와 수소 함량이 높은 연료일수록 발열량이 크다.
연료의 발열량은 연소 반응이 이루어지는 조건에 따라 정적 발열량과 정압 발열량으로 구분된다. 정적 발열량은 일정한 체적에서 연소가 이루어질 때의 발열량이며, 정압 발열량은 일정한 압력에서 연소가 이루어질 때의 발열량이다. 대부분의 실제 연소 과정은 정압 조건에서 일어나므로, 실용적으로는 정압 발열량이 더욱 중요하게 다루어진다.
1.2. 정적 발열량과 정압 발열량
정적 발열량과 정압 발열량은 연료의 연소 과정에서 발생하는 열량을 나타내는 두 가지 개념이다.
정적 발열량은 일정한 체적 하에서 연료가 연소할 때 발생하는 열량을 의미한다. 즉, 연료가 연소하면서 발생한 열이 모두 내부 에너지 변화로 나타나는 것이다. 열역학 제1법칙에 의하면 정적 발열량은 내부 에너지 변화량 ΔU로 표현된다.
반면, 정압 발열량은 일정한 압력 하에서 연료가 연소할 때 발생하는 열량을 의미한다. 이 경우 연소 과정에서 발생한 열은 내부 에너지 변화와 함께 압-체적 일도 수행하게 된다. 따라서 정압 발열량은 엔탈피 변화량 ΔH로 표현된다.
일반적으로 고체연료나 액체연료의 경우 정적 발열량을, 기체연료의 경우 정압 발열량을 주로 사용한다. 이는 연소 과정에서 체적변화가 크지 않은 고체/액체연료와 달리 기체연료는 체적변화가 크기 때문이다.
정압 발열량과 정적 발열량의 관계는 아래와 같이 정리할 수 있다.
정압 발열량 = 정적 발열량 + P(V2-V1)
여기서 P는 일정 압력, V1과 V2는 각각 연소 전후의 부피를 나타낸다. 즉, 정압 발열량은 정적 발열량에 압-체적 일이 더해진 값이다.
1.3. 고위발열량과 저위발열량
고위발열량은 연료가 연소한 후 연소가사의 온도를 최초 온도까지 내릴 때 분리하는 열량을 의미한다. 이때 연소가스 중의 수증기는 응축하여 액체가 되면서 응축열을 발산하는데 이 응축열까지 포함하여 계산한 것이 고위발열량이다.
저위발열량은 고위발열량을 구하는 과정 중 포함된 수증기의 증발열을 뺀 것을 말한다. 즉 총발열량에서 수증기의 증발열을 뺀 것으로 구한다. 결론적으로 고위발열량은 총발열량, 즉 순발열량에 수증기의 증발열을 더한 것이고 저위발열량은 순발열량만을 구한 것이다.
2. 실험 방법
2.1. 벤조산과 미지 연료의 실험
벤조산과 미지 연료의 실험이다.
실험에서는 벤조산과 미지 연료의 질량, 물의 부피, 온도 변화 등을 측정하였다. 벤조산의 경우 1.39g의 질량과 1400mL의 물 부피를 사용하였으며, 연소 전 12cm의 퓨즈 길이에서 연소 후 6.1cm의 퓨즈 길이로 5.9cm가 연소되었다. 미지 연료의 경우 1.77g의 질량과 1400mL의 물 부피를 사용하였으며, 연소 전 12cm의 퓨즈 길이에서 연소 후 7.6cm의 퓨즈 길이로 4.4cm가 연소되었다.
온도 변화를 살펴보면, 벤조산의 경우 초기 온도 19.9°C에서 최종 온도 24.0°C로 4.1°C 상승하였고, 미지 연료의 경우 초기 온도 21.2°C에서 최종 온도 30.1°C로 8.9°C 상승하였다.
이를 바탕으로 벤조산의 발열량을 계산하면 약 6,315cal/g으로 나타났다. 그리고 미지 연료의 발열량은 11,108.5cal/g으로 추정되었다. 이러한 결과를 바탕으로 미지 연료를 JP5(Jet fuel), (CH2)n, Premium Fuel, Pertamax, Pertamax plus, Solar dex 등의 연료와 비교하였으며, 그 중 Solar dex 연료가 발열량 10,755cal/g으로 실험값과 가장 유사한 것으로 나타났다.
오차 원인으로는 저울의 무게 측정 오차, 퓨즈 길이 측정 오차, 물의 부피 측정 오차 등이 지적되었다. 이러한 오차를 줄이기 위해서는 보다 정밀한 측...
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