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끓는점 오름법을 이용한 분자량 측정

끓는점 오름법을 이용한 분자량 측정1. 요 약이 실험의 목적은 끓는점 오름법에 의하여 비휘발성 용질의 분자량을 측정하는 방법을 배우고 분자량을 측정하여 이론치와 비교해 보는 데 있다.2. 이 론1) 분자량 결정비휘발성, 비전해질 물질의 분자량은 실험적으로 어는점 내림, 끊는점 오름을 측정하므로써 쉽게 분자량을 결정할 수 있다. 무게를 알고 있는 용매 중에 있는 용질의 어는점 내림은 실험으로 구해지며, 용액의 몰랄농도는 ΔTb = ΔTf에서 구할 수 있다. 용질의 분자량은 용액의 계산된 몰랄농도와 알고있는 용질질량으로부터 구한다.즉 물 wg에 용질 ag이 녹았을 때, 빙점 강화도를 ΔTf라 하면 그 용질의 분자량 M은 다음과 같이 구한다. 우선 물 1000g에 녹은 용질의 양 χ를 산출하면w : a = 1000 : χ따라서 이 용액의 몰랄농도 m은 M으로 나눈값이므로따라서 정리하면 다음과 같이 된다.증기압, 어는점 그리고 끊는점에 있어서 어는 정도와 끓는 정도의 변화를 나타내기 위해서는 큰 질량의 물질이 용해되어야 하기 때문에 보통 1000이상의 분자량은 측정하기 어렵다. 분자량이 큰 물질은 삼투압을 이용하면 더 효과적이다.2) 용액의 총괄성용액의 성질은 순용매와는 크게 다르다. 용질 자체의 성질보다 용질입자의 농도의 지배를 받는 성질을 총괄성(colligative property)이라고 한다. 이와 같은 성질로는 증기압 내림, 삼투압, 끓는점 오름, 어는점 내림 등이 있다. 종괄성과 용질 농도간의 관계식은 제한된 범위 내에서만 유효하다. 매우 묽은 용액에 이 관계가 가장 잘 성립한다.3) 끊는점 오름과 어는점 내림(비전해질)비휘발성 용질의 용액이 가열되었을 때 온도가 용매의 끊는점을 초과하지 않으면 이 용액은 끓지 않는다. 이와 같이 온도에 있어서의 차이를 끓는점 오름, ΔTb,라고 한다.ΔTb = Tb - Tbo여기서 Tb와 Tbo는 용액과 순수한 용매의 끓는 점이다. 용액이 계속 끓음에 따라 순수한 용매는 없어지며 용질의 농도는 증가한다. 따라서 끓는점은 계속 상승한다.용액을 냉각시킬 때는 순수한 용매의 어는점보다 온도가 내려가지 않으면 이 용액은 얼지 않는다. 이와 같은 어는점 내림, ΔTf, 는 양의 값을 가지도록 정의되어진다.ΔTf = Tfo - Tf여기서 Tfo 는 용매의 어는점이며 Tf는 용액의 어는점이다. 어는 현상이 일어남에 따라 순수한 용매가 얼며 따라서 용질의 농도가 증가된다. 그러므로 결과적으로 어는점은 계속 낮아진다.끓는 온도가 높아지는 것은 증기압 내림의 직접적인 결과이다. 용질이 비휘발성인 용액의 증기압은 순 용매보다 모든 온도에서 낮은 값을 갖는다. 따라서 용액이 끓기 위해서는 더욱 높은 온도가 필요하며 이와같이 끓는 현상은 증기압이 외부압력에 도달하였다는 것을 의미한다.어는점 내림도 끓는점 오름과 마찬가지로 용질에 의한 용매의 증기압 내림의 직접적인 결과이다. 그림에서 용액이 어는 온도는 용액 중의 용매 증기압이 순수한 고체 용매와 같이 온도임을 주목하라. 용액이 얼 때 분리되는 것은 순수한 용매임을 의미한다.끓는점 상승이나 어는점 내림도 증기압 내림처럼 총괄성질이다. 이들은 용질의 농도에 정비례하는데 대부분 농도 단위로 몰랄농도 m을 사용한다. 어는점 내림이나 끓는점 오름과 몰랄농도와의 관계식은 아래와 같다.ΔTb=kb(molality)ΔTf=kf (molality)이 식의 비례상수 kb와 kf를 몰랄 끓는점 상수(molal boiling point constant)와 몰라 어는점 상수(molal freezing point constant)라고 각각 부른다. 이 상수의 크기는 용매의 성질에 따라 다르다. 용매가 물일 때kb= 0.52℃/m; kf= 1.86℃/m대부분 알고 있듯이 겨울철에 자동차의 라디에이터에 부동액을 넣어서 어는 온도를 낮춘다. 에틸렌글리콜은 영구 부동액을 만드는데 사용하는 용질이다.이것은 끓는점이 높고(197℃), 100℃에서 거의 증발하지 않으며, 물의 끓는 온도를 높이기 때문에 에틸렌 글리콜을 함유한 부동액은 여름철에 사용해도 끓어서 없어지지 않는다.4) 증기압 내림(비전해질)농도가 높은 수용액은 순수한 물보다 늦은 속도로 증발한다. 이것은 용액의 증가압이 순수한 물보다 낮기 때문이다. 이 증기압 내림은 총괄성질이다. 즉, 용질의 종류에는 무관하고 용질의 농도에만 비례한다. 예를 들면 포도당이나 설탕 0.1M용액의 증기압은 순수한 물 보다0.008mmHg 만큼 낮다. 0.30M용액의 증기압 내림은 거의 정확히 3배 높은 0.025mmHg이다.용매의 증기압과 농도간의 상관 관계는 Raoult의 법칙으로 표기된다.P1 = X1Po1여기서 P1은 용액의 용매 증기압을, Po1은 같은 온도인 순용매의 증기압을, X1은 용매의 몰 분율을 각각 나타낸다. 용액의 경우 X1은 항상 1보다 작으므로 P1은 Po1보다 작아야 한다.이 성분계에서는 X2 =1-X1으로 대치하면 증기압 내림에 관한 직접적인 식을 얻을 수 있다. 여기서 X2는 용질의 몰분율이다. Raoult의 법칙에 X1대신에 1-X2로 치환하면Po1 - P1 = X2Po1순용매 증기압과 용액의 증기압차(Po1 - P1)는 증기압 내림(ΔP)을 나타낸다. 이것은 순수한 용매에서와 용액에서의 용매의 증기압차이다.ΔP = X2Po13. 실험 기구 및 실험 시약▶실험 시약(reagent)?Benzene(C6H6) : 순수한 벤젠은 높은 가연성의 특이한 방향이 있는 액체로, 연기를 내며 연소한다. 물에는 녹지 않으나, 알코올, 에테르에 녹는다. 폭발 범위1.3～7.9%, 폭발 한계는 下(하) 1.4%, 上(상) 8%이다. 인화성과 연소성이 있고, 인체에 해로운 독성이 있으므로 취급시 주의해야 한다.?Naphthalene(C10H8) : 나프탈린이라고도 함, 방향족의 두 고리 축합고리탄화수소. 무색. 널빤지모양 결정, 녹는점 81℃, 끓는점 217℃, 비중 d19=1.152, 승화하기 쉬움. 석탄타르에서 얻어짐, 특유한 냄새가 나고, 물에 녹지 않으며 , 알코올?에테르에서 녹음, 피크르산을 써서 피크르산염(황색 바늘모양 결정. 녹는점 149℃)을 만듦▶실험 기구(instument)Cottrell 끓는점 측정장치,Beckmann 온도계, 알코올 램프, 클램프, 아세톤, 벤젠, 나프탈렌4. 실험 방법1) Cottrell 끓는점 측정장치를 장치한다.2) 벤젠 25㎖를 장치에 넣는다.3) Beckmann 온도계를 눈금을 적절히 맞춘 다음제자리에 끼워넣는다.4) 알코올 램프로 가열한다.(벤젠의 온도가 더 이상 변하지 않을 때의 온도를 정확하게 읽어서 벤젠의 끓는점을 측정한다.)5) 무게를 단 나프탈렌 알맹이를 냉각기의 위에서 떨구어서 장치 속에 집 어 넣는다.6) 꾸준히 원활하게 끓기 시작하면 전과 마찬가지로 온도를 앍는다.7) 4회 반복한다.8) 분자량을 계산한다.5. 실험결과▶ 벤젠의 끓는점이 론 치측 정 치C6H680.2℃77.7℃▶ 나프탈렌의 첨가에 따른 온도의 변화횟수질 량측 정 온 도Δt11g78℃0.321g78.3℃0.331g78.7℃0.4▶ 용질의 몰랄농도 계산⑴ 벤젠 25㎖를 질량으로 환산하면25㎖ × 0.88g/㎖ = 22.0g⑵ 나프탈렌 1g을 첨가하였을 때 몰랄농도와 끓는점 오름 상수⑶ 나프탈렌 2g을 첨가하였을 때 몰랄농도와 끓는점 오름 상수

자연과학| 2004.11.12| 6페이지| 1,000원| 조회(979)

분자량측정, 빅터마이어, 끓은점 오름

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생명공학

*BT생물공학 또는 생명공학이라고도 한다. DNA 재조합 기술을 응용한 여러 가지 새로운 과학적 방법 등도 이에 속한다. 생물공학의 정의와 대상 내용은 시대에 따라 크게 변화되어 왔다. 현재는 생명과학의 전체 분야를 학제간의 구별없이 연구하는 기초적 학문과 이를 기반으로 새로운 기술의 개발을 목적으로 삼은 응용분야를 모두 내포하고 있다. 유전공학(genetic engineering)이 대두되면서 바이오테크놀로지란 용어를 쓰기 시작했지만 유전자 공학의 공업적 응용에 국한되지 않고 발효공학, 하이브리도마공학(모노클로날 항체 생산), 농업공학(동식물의 형질전환) 등 광범위한 내용을 포용한다.{바이오테크놀러지의 시초는 생명체의 구조와 기능을 모방하여 공학적 기계생산 또는 그 공정을 응용해서 물질을 생산하는 데서 비롯되었다. 즉, 1960년대까지는 미생물을 이용한 발효공업과 같은 식품 ·조미료 ·알콜 생산의 산업적 공정 및 생산과 의약품을 개발하는 분야였다. 1960년대 이후 컴퓨터기술의 개발과 함께 로봇 제어기술을 뒷받침하는 인공지능에 관한 연구, 인간의 작동에 적합한 기계설계를 위한 인간공학의 연구 등이 등장했다. 특히 생물계에 존재하는 피드백 조절(feedbeck regulation)을 이용한 동물의 신경계와 운동의 조화를 적극적으로 활용하는 과학기술이 대두하여 이를 바이오닉스(bionics)라고도 한다. 병의 치료와 진단에 전자공학-기술을 활용한 분야를 의용공학(medical electronics 또는 medical engineering)이라 하며, 인체의 생리적 특성을 공학적 측면에서 연구하는 생체공학과 구별한다. 생체기능의 메커니즘이 분자 수준에서 이해되면서 생체공학 분야의 응용은 방대한 영역을 점유했다.1970년대에는 생체의 기능조절을 공학에 응용하려는 시도가 도입되었으며, 1970년대 후반부터 바이오테크롤러지는 대상과 영역이 급속히 확대되어 생물공학의 전성기로 진입하였다. 종래의 미생물공학은 주로 유전공학으로 발전되었으나 현재는 그 외에 발생공학 ·세포공학 등과 같이 새로운 분야가 개척되었다. 이 분야에서는 생물 구조의 여러 단위 수준에서 인위적인 조작을 통해 인간의 입장에서 보다 더 편리한 특징과 성질을 지닌 생물체의 일부 또는 전 개체를 만들기 위한 연구가 진행되고 있다. 인공심장과 같은 인공장기나 조직의 개발도 재활의학 측면에서 연구 영역이 넓어지고 있다. 1980년대는 생물학 전체 분야가 생물공학과 연관되어 있다.특히 분자유전학적 연구 업적에 의해서 유전자 산업 ·유전(자)공학 등 생물산업의 분야는 새롭게 확장되고 있다. 생물산업의 한 가지 예를 들어보면 다음과 같다. 당뇨병 치료제인 인슐린은 생체 활성물질이므로 다량으로 생산할 수 있는 기술이 없었다. 우리는 대형동물을 이용해서 주로 인슐린을 생산했다. 그러나 분자의 아미노산 서열이 밝혀졌고, 바이오테크놀러지가 발전하여 사람의 인슐린 유전자를 클로닝하는 데 성공했으며, 그 유전자의 염기 배열순서도 정확히 밝혀졌다. 이처럼 클로닝된 인슐린 유전자는 플라스미드(plasmied)라는 작은 DNA단편에 붙여서 미생물 체내에 옮겨주면 그 미생물 체내에서 도입된 유전자 발현이 일어나서 사람의 인슐린을 사람이 아닌 미생물이 합성해 낸다.이와 같은 과정을 밟아서 합성된 인슐린을 잘 정제하여 새로운 의약품 개발산업이 된 것이다. 인슐린 생산을 위한 연구가 단기간내에 이루어진 것은 아니다. 연구진행의 여러 단계에서 나타났던 문제들을 기초과학적 연구로서 해결했기 때문에 성공한 것이다. 이런 점에서 볼 때 기술개발에 관련된 기초과학적 연구는 매우 필수적이다. 이와 같이 DNA 재조합 기술의 이용은 농학 및 축산학 분야에서 새로운 품종개량을 적극적으로 추진하는 데 매우 유용하다. 뿐만 아니라 유전적 질병의 진단과 유전자 치료법의 개발에도 바이오테크놀러지는 무한한 가능성을 제시한다.유전병은 종류에 따라서 사람의 발생 초기에 발병하는 경우도 있고, 소년기 ·청년기, 혹은 장년기에 가서야 발병하는 경우도 있다. 발생 초기에 발병하면 일반적으로 태아는 유산 또는 사산된다. 그래서 출생전 진단법도 다양하게 발전되었고, 출생 후에 진단하는 방법도 개발되었다. 뿐만 아니라 발병은 하지 않더라도 유전병의 원인이 되는 유전자를 가지고 있는 보인자 여부의 검사도 바이오테크놀러지에 의해 가능하다. 의학에서 관심깊은 과제 중의 하나는 유전자 치료이다. 건강한 사람의 DNA(유전자) 또는 mRNA와 상보적인 cDNA를 만들어 이것을 DNA 재조합법으로 레트로바이러스 벡터와 결합시키고, 그것은 그 DNA 결합으로 생긴 유전병 환자의 세포에 효율적으로 도입시키는 방안이 고안되어 있다. 그러나 현재는 배양세포를 이용한 실험적 단계에 있지만 응용될 수 있는 시기가 곧 올 것이다. 그런데 실제 응용할 단계에 이르면 윤리적 문제를 포함하여 많은 문제가 제기될 가능성도 있다. 순수 분자생물학의 연구에서도 DNA의 구조 비교, 생물의 특성에 대한 동질성과 이질성의 원인, 종의 특성과 분화, 생물의 진화 등 생명현상의 해석에 한 차원 높은 연구가 실시되고 있는데 대부분 바이오테크놀러지를 이용하고 있다.*국내에서의 유전자치료국내에서도 본격 유전자치료 시대가 개막된다.2000년 11월 1일 식품의약품안전청에는 2천여쪽에 이르는 유전자치료제 임상시험 허가원이 접수됐다. 이 서류는 식의약청이 최근 `유전자치료제 허가 및 임상시험 관리지침'을 마련한 뒤 처음 접수된 것이다. 내용은 서울대 김선영 교수와 삼성서울병원 김덕경 교수팀이 공동개발한 허혈성 족부궤양 유전자치료제 `VMDA3601'의 전임상시험 결과에 관한 것이다.첫 공식 유전자치료=연구팀은 식품의약품안전청이 두달 안에 중앙약사심의위원회, 유전자치료제안정성평가위원회, 유전자치료제임상윤리평가위원회 등의 심의를 거쳐 임상시험을 허가하면 내년초 곧바로 말기 족부궤양 환자를 대상으로 유전자치료에 들어갈 예정이다. 공식적으로 유전자요법에 의한 질환 치료가 국내에서 처음 시작되는 것이다.

자연과학| 2004.11.15| 3페이지| 1,000원| 조회(275)

생명공학, BT, 의학분야

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카르노 이론의 증명

카르노 이론의 증명두 실험적 측정온도(θ1,θ2)에서 작동하는 두 개의 카르노 사이클을 다음 그림과 같이 생각해 보도록 한다. 이 중 하나는 정방향 사이클이고 다른 하나는 역방향 사이클이다.두 엔진 모두 정방향으로 돌 때에는 동일한 양의 일을 수행합니다. 즉, .여기서 엔진 B의 효율이 엔진 A의 효율보다 높다고 가정하고, 이제부터 이 가정이 올바른 설정인지를 살펴보도록 하겠다.두 엔진의 일양이 동일하므로() 열량의 관계는 다음과 같다.⇒또한, 의 관계를 적용시키면 다음과 같은 결과를 얻게 된다.⇒⇒ ⇒따라서 두 엔진 A, B를 동시에 결합시키면 다음 그림과 같이 작동되는 결과를 가져온다. 즉, 외부에서 일을 받지 않은 상태에서 엔진은 낮은 온도에서 열을 받아 높은 온도의 저장소에 열을 전달하는 것이다. 이것은 열역학 제2법칙에 명백히 위배되는 결과이다. 따라서 처음에 설정했던 가정 는 잘못된 가정이다.

공학/기술| 2004.11.12| 2페이지| 1,000원| 조회(1,532)

카르노 사이클, 카르노 이론, 카르노 싸이클

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빅터마이어

1. Abstract(요약)Victor Meyer법을 사용하여 휘발성 물질의 대략적인 분자량을 결정한다.질량을 잘 알고 있는 일정량의 물질을 증발관으로부터 이 물체의 증기와 같은 부피의 공기를 배제시킬 수 있도록 증발시킨다. 이 배제된 공기를 물이나 수은 위로 수집하여 대기압과 알려진 온도하에서 부피를 측정하여 이상기체 방정식에 적용하여 물질의 분자량을 계산한다.2. Theory(이 론)1) 물질의 상태상태라는 술어는 주어진 시간에 사람 또는 사물을 설명하는 조건으로 정의할 수 있다. 따라서 과학자들은 그림과 같이 물질을 세 가지 상태로 분류하였다.액체 또는 고체에 앞서 기체를 먼저 논의하는 것은 두 가지 이유가 있다.① 대부분 기체의 성질들은 그 기체의 고유한 특성에 의존하지 않기때문에 그 거동을 설명하기가 쉽다. 그러므로 우리는 기체가 O2, N2, H2 또는 이들 기체의 혼합물인가에 관계없이 기체에 대한 모델을 발전 시킬 수 있다.② 분자운동론이라고 알려진 비교적 간단하고 유용한 모델을 이용하여모든 기체의 거동을 설명할 수 있기 때문이다.2) 라울의 법칙용질이 공존 할 때에 용매의 증기압을 표시하는 관계식이다.분자 모양이 비슷한 두 가지 물질 A ,B로 구성된 용액에서 A의 부분 압력은 순수한 증기 압력에 그것의 몰분율를 곱한 것과 같은데, 이것을 라울의 법칙이라 한다.그러므로 용액 위의 전체 증기 압력은 다음과 같다.라울의 법칙이 그대로 적용되는 용액을 이상 용액이라고 하는데, 일반적으로 용액이 묽을수록 이상 용액에 접근한다.비휘발성, 비전해질인 용질이 녹은 용액의 끓는점 오름이나 어는점 내림은 용질의 종류와 관계없이 용매가 일정하면 몰랄 농도에 비례한다 라고 표현되기도 한다.3) 이상기체 방정식지금까지 기체는 네가지 인자, 즉 기체의 압력(P), 부피(V), 온도(T) 및 양(n)에 의하여 설명하였다. 뿐만 아니라 이들 인자들 중 두가지를 짝지웠을 때 이들이 나타내는 다섯가지 상관관계를 논의 하였다. 각각의 경우 다른 두 인자들이 일정하게 유지되는 동변하거나,그 역일 때에 기체의 압력을 알아내는 데이용된다. 처음 상태를 P1, V1이라 하고 나중 상태를 P2, V2라 할 때 우리는 다음 식을 얻을 수 있다.P1V1=P2V2 (일정온도)Ⅱ. Charles 의 법칙일정한 압력에서 주어진 질량의 기체부피는 온도에 직접 비례한다. 즉,V∝T또는,V/T=일정 [식-2]식 2는 Charles 의 법칙또는 Charles와 Gay-Lussac의 법칙으로 알려져 있다. 또 다른 Charles의 법칙의 형태는 일정 부피에서 주어진 기체의 압력은 온도에 비례한다는 것이다.P∝T또는,P/T=일정 [식-3]Ⅲ. Avogadro 의 법칙또 다른 중요한 기체법칙이 1811년 Avogadro에 의해 세워졌는데, 이것은 일정한 압력, 일정한 온도에서 같은 부피의 기체는 같은 부피의 같은 수의 분자 또는 mol 수를 포함한다는 것이다. 즉,V∝n또는,V/n=일정 [식-4]여기서, n은 mol수이다. 식4가 Avogadro 의 법칙으로 알려져 있다.Ⅳ. Ideal Gas 법칙이상기체 상태방정식은 위의 세식에의해 구할 수 있다.V∝1/P (일정한 T와n)V∝T (일정한 P와 n)V∝n (일정한 T와 P)부피는 이세가지 양의 곱에 비례한다. 즉,V∝nT/P=nRT/P또는PV=nRT [식-5]여기서 비례상수인 R은 기체상수이다. 식5를 이상기체 상태방정식이러고 한다. 식5로 부터 다음식을 구할 수 있다.R=0.08206 liter atm K-1 mol-1V=기체의 부피R=PV/nT n=몰수P=기체의 압력T=절대 온도[=t(℃)+273.15]4) 용액의 증기압19세기에 화학자들은 비휘발성용질을 넣으면 휘발성용매의 증기압력이 낮아지는 것을 관찰하였다. 용매의 증기압내림은 순수한 용매의 증기압력으로부터 용액의 증기압력을 뺀 값으로, 총괄성의 하나이다. 예를 들면. 20℃에서 물의 증기압력은 17.54mmHg이다. ethylene- glycol은 20℃에서 증기압력이 낮은 액체로, 물에 비하여 비휘발성이라 할 수 있다. 0.0100 mol의 ethyl매 증기의 몰 자유 에너지 변화와 같다. 만일 순수한 액체를 표준상태로 잡으면 용액의 용매의 자유에너지는 순수한 액체 그것과 대조될 것이며 다음과 같이 쓸 수 있다.GA - GA。 = RTlnPA/PA。만일 Rault's law에 따른다면 이 식은 다음과 같이 고쳐 쓸 수 있다.GA - GA。= RTlnXA or GA = GA。+ RTlnXA용질의 첨가됨에 따라 용매의 자유에너지는 감소한다.용액이 비휘발성 용질을 포함하면 표면에 있는 용매분자는 용질에 의해서 치환되고 액체를 벗어나려는 용매분자는 감소한다. 따라서 순수용매의 증기압은 용매의 증기압보다 항상 크다. 순수용매에서는 모든 표면 분자가 액체를 벗어나려는 경향이 있으나 용액에서는 용매 분자만이 벗어날 수 있고 그의 비율은 바로 표면의 분자수의 비율과 같다.분자수의 비율은 몰 비와 같고 이것은 몰 분 율도 된다. 용액이 95%몰의 용매를 가진 용액이면 표면의 분자 수는 용매에서 보다 0.95비로 감소한다. 이와 같은 경로가 바로 Rault's-law이다.용질의 첨가에 의한 용매의 증기압 강하는 모든 온도에서 일어난다. 온도에 따른 증기 압강하는 그림에서 나타난 것처럼 증기압과 몰 분율 사이의 Rault's law과 관계가 성립한다.4) 대기압*기압계의 발견: 1600년대 초 갈릴레오(Galileo)는 펌프 속에 있는 “진공의 힘”으로 인하여 흡입펌프가 우물에서 물을 위로 끌어 올릴 수 있다고 주장하였다. 갈릴레오가 사망한 후, 이탈리아의 수학자이며 물리학자인 토리첼리(Torricelli E, 1608~1647)는 또 다른 제안을 하였다. 즉 그는 대기 중의 공기는 무게를 가지고 있으며, 물의 표면에 가해지는 대기의 힘은 펌프 속의 물이 배출되면 다시 물이 흡입펌프 속으로 유입되도록 한다고 설명하였다.1646년 토리첼리는 아래 그림에 나타낸 바와 같이 한쪽 끝이 밀폐된 약 1m 길이의 유리관 속에 수은을 체운 다음, 이 관을 수은이 담긴 큰 접시 위에 거꾸로 세우는 실험을 하였다. 이때 소량의 수은이 유리관325kPa대기의 압력은 진공펌프에 부피가 1갤런인 금속용기를 연결한 장치를 이용하여 나타낼 수 있다. 정상상태에서 용기 속의 기체압력은 용기의 바깥쪽에서 가해지는 대기의 압력과 균형을 이룬다. 그러나 진공펌프가 가동되면, 용기 속의 공기가 빠져나감으로서 용기는 급격히 수축하게 된다. 부피가 1갤런인 금속용기의 표면적은 약 250in2이다. 14.7lb/in2의 압력에서, 용기의 표면에 미치는 전체의 힘은 약 3,900lb정도의 힘을 지탱한다.인체 내의 압력이 대기 중의 기체압력과 서로 상쇄되기 때문에 우리는 보통 대기의 압력을 느끼지 못하다. 만약 진공상태인 우주공간에서 우주복에 구멍이 뚫리면 압력이 전혀 없는 외부와 체내 압력이 서로 균형을 유지해야 하기 때문에 즉시 신체 조직에 큰 손상을 초래하게 된다.5)기체와 휘발성 물질의 분자량 결정이상기체의 법칙은 휘발성 물질이 분자량을 결정하는 데 유용하다. 그러기 위해서는 부피를 알고 있는 용기에 기체를 채우고 압력과 온도를 측증한다. 또 용기속에 들어 있는 기체의 질량을 측정한다. 이상과 같은 측정으로 충분히 물질의 분자량을 결정할 수 있다. 식-5 으로부터 PV=(w/M)RT를 얻을 수 있고, 정리하면 다음 식이 된다.M=(w/V)RT/P=(ρ/P)RT [식-6]여기서 ρ는 밀도로서 ρ=w/V이다. 식 6의 오른쪽 항에 있는 것들은 모두 실험으로 부터측정할 수 있으므로 M을 계산할 수 있다.어떤 물질의 분자식을 결정하는 데는 일반적으로 근사치의 분자량으로도 충분하다. 예를 들면, 기체의 화학분석으로부터 실험식이 (CH2)n이라는 것을 알았다면 분자량은 14g/mol의 정수배가 되야 한다. 따라서 가능한 분자량은 28, 32, 56, 70 등이다. 만일 식 6을 이용한 분자량 측정으로부터 54g/mol을 얻었다면 n=4 이고, 그 물질은 부텐의 일종이라고 결론지을 수 있다. 기체가 엄밀히 이상기체가 아니라고 하는 사실이 이러한 분자량 결정에 어떤장애가 되지는 않는다. 앞의 예에서는 M이 취할 수 있는 값들이 )0RT6)Victor Meyer 법그림(실험 기구 중 좌)은 여러 가지 Victor Meyer 장치들 중 우리가 사용한 장치이다. 이 장치에서는 바깥 통에 들어 있는 물을 끓여 수증기를 내어 증발관을 가열한다.우리가 사용하는 식이 이상기체에 대한 식인데, 실제 기체들은 끓는점 전후 약 20°의 범위 내에서는 이 식을 정확하게 따르지는 않기 때문에, 수증기를 써서 가열할 때 사용할 수 있는 시료는 끓는점이 80℃이하인 물질들에 국한된다. 전기적인 방법으로 가열하거나 또는 바깥 통에 더 높은 끓는점을 가진 액체를 넣으면 더 높은 끓는점을 가지는 시료도 다룰 수 있다. 시료 담는 작은 유리공은 연질 유리관을 가열하여 길게 늘여서 지름이 작은 모세관을 만든 다음 한쪽 끝을 불어서 작은 공 모양이 되도록 만든다. 작은 공에 시료를 넣으려면 가늘고 긴 관을 약한 불에 잠깐동안 가열하여 그림에 나타난 모양이 되도록 구부린다. 그런 다음 작은 공을 약한 불 속에 두세 번 흔들어서 안에 들어 있는 공기를 팽창시킨다. 구멍이 뚫려 있는 쪽 끝을 그림에 나타낸 바와 같이 조그만 비이커 속에 따라 놓은 시료 속에 집어넣는다. 작은 공이 식음에 따라서 시료가 공 속으로 빨려 들어간다. 너무 많이 빨려 들어간 경우에는 약간 가열하여 제거하면 된다. 적당한 양이 채워지면 소형 버너의 뜨거운 불꽃 속에 넣어 가열하여 구멍을 밀봉한다. 필요한 시료의 양은 기체 뷰렛의 부피와 시료의 분자량에 따라 다르다. 분자량을 미리 알고 있으면 실험에 필요한 양을 계산할 수 있다.실험을 할 때는 증발관의 꼭대기를 열어 놓고 2～3분 동안 바깥 통에 들어 있는 물을 맹렬하게 끓인다. 그런 다음에 시료가 달린 파괴장치 전부를 제자리에 넣고 기체 뷰렛 속의 물의 높이를 읽는다. 수면의 높이는 수준을 맞추는 물통의 높이와 기체 뷰렛의 물의 높이를 같게하고 읽어야 한다. 이렇게 해야만 기체의 압력이 대기압과 같아진다.수면의 높이가 일정해지면 수면의 높이를 기록한 후 시료가 들어 있는 작은 공을 깨뜨린다. 시료 점

자연과학| 2004.11.12| 11페이지| 1,000원| 조회(639)

분자량측정, 빅터마이어, 이상기체 방정식, 물질의 분자량 계산

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카르노 사이클

카르노 사이클 (Carnot cycle)카르노 사이클 (Carnot cycle)카르노 사이클은 두 개의 가역단열과정과 두 개의 가역등온과정으로 이루어진 열기관의 가장 이상적인 사이클이다클라시우스의 가정 (postulate by Clausius)시스템에 일이 가해지지 않은 상태에서 열의 흐름이 낮은 온도에서 높은 온도로 자발적으로 흐르지 못한다.임의의 카르노 사이클에서 다음과 같은 관계가 성립함을 앞에서 살펴보았다.⇒이 성질을 이용하여 가역과정으로 이루어진 닫힌 경로를 생각해 보도록 하겠다. 임의의 닫힌 경로는 다음 그림과 같이 많은 단열선과 등온선으로 이루어진 카르노 사이클의 결합으로 생각할 수 있다.위 그림에서 국소적인 카르노 사이클 ①과 ② 사이를 공유하는 T2-등온선에서는 같은 열량을 주고받는다. 즉, 사이클 ①에서 방출하는 열량(①Q2)과 사이클 ②에서 받는 열량(②Q2)는 크기는 같고 부호만 반대의 성질을 갖게 된다. 따라서 T2-등온선에 해당하는 열출입은 상쇄가 되며, 결국은 닫힌 경로를 따라 만나는 등온선과 단열선만 남게 된다.카르노 사이클 ① :(1)카르노 사이클 ② :(2)(1) + (2) :(3)이제 이러한 국소적 카르노 사이클을 매우 작은 조각으로 분해하면 닫힌 곡면에 더욱 근접한 모형을 얻을 수 있을 것이다. 결국 이러한 방법으로 극한에 가까운 조각크기로 나누고 모든 조각에 대한 합을 정의하면 다음과 같이 표현하는 것이 가능해진다.⇒따라서 임의의 가역 사이클과정에서는 다음의 식이 항상 성립하게 된다.여기에서, 적분기호 안의 함수 는 시스템의 상태함수이며, 완전미분이 가능한 함수이다. 이 함수를 특별히 독립적인 상태함수로 정의하는 것이 대단히 유용하며, 이러한 필요에 의하여 엔트로피(entropy)라는 명칭으로 사용하게 된다.(4)비가역과정에서의 엔트로피 표현만일 사이클 과정에서 비가역 단계를 포함하고 있다면 다음과 같은 부등호식을 만족하게 된다.즉, 카르노 사이클에 비가역과정이 포함된다면 엔진의 효율은 그만큼 낮아지게 된다.이 식을 다시한번 정리하면 비가역과정에서는 다음의 관계가 됨을 알 수 있다.이러한 과정을 사용하여 엔트로피의 표현에 적용시키면 다음의 부등호 관계를 알 수 있다.이 식은 비가역과정에서 성립되는 관계식이며, 가역과정을 포함한 일반화된 형식으로 표현하면 다음과 같이 정리할 수 있다.(5)이 관계식을 클라시우스 부등식(Clausius inequality)이라고 부르며, 열역학 제 2법칙을 대표하는 부등식으로 사용되고 있습니다. 엔트로피 S는 상태함수이며 따라서 종량성 상태량(extensive quality)입니다. 따라서 상태 1에서 상태 2로 변화되는 과정에서 엔트로피 변화량은 다음과 같이 표현된다.(6)여기서 한 가지 주목할 사항은 상태변화 과정이 가역적일 때만 ΔS는 출입한 열량으로써 다음과 같이 표시가 가능하게 된다.만일 상태변화 과정에서 비가역과정을 포함한다면 ΔS는 여전히 식(6)과 같이 표현되지만, 출입한 열량으로 표현하는 것은 불가능하다. 단지 다음의 관계만으로 표현할 수 있다.일반적으로 현실에서 열역학적 시스템의 거의 모든 상태가 비가역과정을 포함하게 되므로, 엔트로피의 변화를 정확한 열량으로 표현한다는 것은 매우 어려운 작업이 된다. 그러나 어떤 시스템을 해석하고자 할 때 그 시스템을 둘러싸고 있는 surrounding은 광범위한 영역을 포함하게 되므로 가역과정으로 생각해도 무관한 경우가 많다. 따라서 시스템과 surrounding을 포함하는 전체 엔트로피의 변화는 다음과 같이 표현할 수 있다.카르노 이론의 증명두 실험적 측정온도(θ1,θ2)에서 작동하는 두 개의 카르노 사이클을 다음 그림과 같이 생각해 보도록 한다. 이 중 하나는 정방향 사이클이고 다른 하나는 역방향 사이클이다.

공학/기술| 2004.11.12| 7페이지| 1,000원| 조회(2,761)

카르노 사이클, Carnot cycle, 클라시우스의 가정

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