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1. 실험 목적 및 이론
1.1. 실험 목적
이 실험은 Ostwald 점도계법을 이용하여 여러 가지 액체의 점도를 측정하고 점도에 미치는 온도의 영향을 측정하고자 함이다. 점도란 유체의 끈끈함을 나타내는 물질 고유의 상수로, 이를 측정하여 온도와의 관계를 알아보는 것이 이 실험의 목적이다. 이를 통해 액체의 점도 특성과 거동을 이해할 수 있으며, 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
1.2. 점도 이론
1.2.1. 점도의 정의
점도(viscosity)는 유체의 흐름에 대한 내부 마찰력을 나타내는 물리량이다. 즉, 유체가 흐를 때 발생하는 분자 간 마찰력의 정도를 나타내는 것이다. 점도가 큰 액체일수록 흐르기 어렵고, 점도가 작은 액체일수록 흐르기 쉽다. 이러한 점도의 개념은 유체역학, 화학공학, 생물학 등 다양한 분야에서 중요하게 활용된다.
보다 구체적으로 정의하면, 점도는 유체 내부에서 한 층이 다른 층에 대해 움직일 때 발생하는 전단응력과 속도변화율의 비로 표현된다. 즉, 한 층의 유체가 다른 층의 유체에 대해 미끄러질 때 발생하는 전단력과 그에 따른 속도변화율 사이의 비례상수를 점도라고 한다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
τ = η (du/dy)
여기서 τ는 전단응력, η는 점도, du/dy는 속도변화율을 나타낸다. 이때 점도 η는 전단응력 τ와 속도변화율 du/dy 사이의 비례상수로, 유체의 고유한 물성이 된다.
따라서 점도는 유체의 흐름저항 정도를 나타내는 중요한 물리량이며, 유체의 종류와 상태에 따라 그 값이 달라진다고 할 수 있다.
1.2.2. 상대점도와 절대점도
상대점도와 절대점도는 유체의 점성을 나타내는 중요한 개념이다.
상대점도는 특정 온도에서 용액의 점도를 순수 용매의 점도와 비교한 값이다. 상대점도는 무차원 값으로 표현되며, 용액의 점도가 순수 용매에 비해 얼마나 달라졌는지를 보여준다. 상대점도는 다음과 같은 식으로 계산된다:
상대점도 = 용액의 점도 / 순수 용매의 점도
따라서 상대점도가 1보다 크면 용액이 순수 용매보다 더 점성이 높고, 1보다 작으면 용액이 순수 용매보다 점성이 낮다는 것을 의미한다. 상대점도는 용매의 조성이나 농도 변화에 따른 점도 변화를 쉽게 파악할 수 있게 해준다.
반면 절대점도는 유체의 내부 마찰 정도를 절대적인 값으로 나타낸 것이다. 절대점도는 유체가 흐를 때 발생하는 응력과 속도 기울기의 비율로 정의된다. 절대점도는 Pa·s 또는 poise(P)와 같은 단위를 가지며, 용액의 점성 정도를 직접적으로 표현한다. 절대점도는 Poiseuille 법칙과 같은 이론식을 통해 실험적으로 측정할 수 있다.
따라서 상대점도는 용액의 상대적 점성을 보여주고, 절대점도는 유체의 절대적인 점성을 나타낸다고 할 수 있다. 두 개념은 유체의 점성을 이해하는 데 있어 상호보완적인 역할을 한다.
1.2.3. 점도 측정 이론
점도 측정 이론은 다음과 같다.
유체가 일정 압력 P에 의해 모세관을 흐를 때, 흐름이 비교적 빠르지 않을 때, 그 속도는 액체 내의 마찰계수에 반비례한다. 이 마찰계수를 그 액체의 점도 계수 또는 점도(Viscosity)라 하며 η로 표시한다. 모세관의 반경 및 길이를 각각 r 및 l이라 놓으면, 시간 t사이에 유출하는 액체량 V는 다음 식으로 주어진다.
V = (π Pr^4) / (8 η l) t ............................... (1)
따라서 위의 식에 의해서 η가 구해질 것이다. 실제 η의 절대치의 측정은 비교적 어렵다. 용액의 점도에 관해서는 점도의 절대치 보다 용질을 가했을 때 용매의 점도에 비해 어느 정도 변화하였는가를 아는 것이 중요하다. 따라서 일정온도에서 기준 물질에 대한 상대점도를 계산하는 것이 보통이다. 즉 다음 식으로 정의되는 상대점도(Relative viscosity) ηr을 구한다.
ηr = η / ηo ............................. (2)
여기서 η 및 ηo는 각각 용액 및 순수용액의 점도이다. 동일한 점도계로 같은 부피의 용액 및 용매의 흐름 시간을 측정하여 각각 t와 to라고 하면 (1)식에서 r, l, v 및 P는 동일하므로...
