은 물 위로 뜬다.
③ 농도 (Concentration, )
- 농도는 일정량의 용액 안에 존재하는 용질의 비율이다. 농도를 표시하는 방법은 질량 백분율, 부피 백분율, 몰농도, 몰랄 농도, 노르말 농도 등이 있다.
㉠ 질량 백분율 (퍼센트 농도)
: 질량백분율은 용액과 용질의 질량을 이용해 농도를 표현하는 방법이다. 이는 용액 100g 속에 녹아 있는 용질의 g 수이며 %로 나타낸다. 예를 들어 물 450g에 소금 150g을 녹여 총 600g의 소금물 용액을 제조한다면 용액의 질량백분율은 (150/600)*100% = 25%이다.
㉡ 부피 백분율 (용량퍼센트)
: 용액 1000ml=1L 속에 들어 있는 용질의 ml수이다.
㉢ 몰농도 (Molarity)
: 용액 1L 속에 녹아 있는 용질의 몰수이며, 단위는 M 또는 mol/L이다.
㉣ 몰랄농도 (Molality)
: 용매 1000g 속에 녹아 있는 용질의 몰수이며, 단위는 m을 사용한다.
㉤ 노르말 농도 (normality)
: 용액 1L 속에 녹아 있는 용질의 g 당량수이며, 단위는 N 을 사용한다.
(2) 전단 응력 (Shear stress, )
- 전단 응력은 물체의 표면과 평행한 방향으로 작용하는 응력이다. 이동하고 있는 유체가 고체의 표면과 접촉하면 점성에 의한 저항이 생기는데, 이를 전단응력이라 하는 것이다. 전단응력은 뉴턴의 마찰법칙으로 표시되며 이는 뉴턴유체라고 한다. 또한 뉴턴의 마찰법칙을 따르지 않는 유체는 비뉴턴유체라고 한다.
Fig 2. 전단응력
(3) 뉴턴의 점성 법칙
- 전단 응력은 유체의 접선 방향으로 작용하는데, 이 때 그림 Fig 3 에서 전단응력은 두 유체 층의 속도의 차이값인 du 에 비례하고, 거리의 차이값인 dy 에는 반비례한다. 이 때 전단응력을 식으로 표현하면 다음과 같고, 이 식의 비례상수는 점도이자 점성계수 이다.
Fig 3. 뉴턴의 점성법칙
(4) Poiseuille 식
- Poiseuille식은 Ostwald 점도계를 이용해 점도를 측정할 때 이용할 수 있는 식이다. 이 식은 다음과 같은 5가지의 가정을 만족하는 경우에만 성립한다.
① 흐르는 유체는 압력에 따라 부피가 달라지지 않는 비압축성 유체
② 점도의 변화가 일정한 뉴턴유체
③ 유체는 일정하고 규칙적인 층류 형태
④ 유체가 흐르는 관은 단면적이 원이고 지름은 일정, 벽은 강체여야 한다.
⑤ 관의 길이가 짧으면 실험의 신뢰도가 떨어지기 때문에 충분히 긴 관을 사용한다.
이 가정들을 만족한다면 Poiseuille식은 단위 시간당 유량 이 관의 반지름 의 네제곱과 관의 양 끝의 압력차이 ()에 비례하고 유체의 점성()과 관의 길이 ()과 반비례한다는 법칙이며, 다음의 형태로 나타난다.
단위 시간당 유량은 이므로 대입해 정리하면 다음과 같다.
(5) Ostwald 점도계법
- 오스트발트 점도계는 액체의 점도를 측정할수 있는 도구이고, (4)의 Poiseuille 식을 이용해 점도를 측정할 수 있게 한다. 점도를 알고자 하는 유체와 4물의 각 점도계의 특정 간격을 흐르는 시간을 각각 측정해서 점도를 구할 수 있다. 측정하고 싶은 유체의 점도를 , 기준이 되는 4물의 점도를 라고 하면 Poiseuille식에 따라 다음과 같이 표현된다.
유체의 압력비는 밀도비와 같기 때문에 식을 정리하면 다음과 같이 4물과 측정하는 유체의 밀도를 비교해 최종적으로 측정하고자 하는 유체의 점성도를 구할 수 있다.
( : 점도, : 시간, : 밀도 )
.
3. 실험 기기 및 시약
(1) 실험 시약
① Ethylene glycol (, 에틸렌글리콜)
Fig 4. 에틸렌글리콜의 2차원 구조 Fig 5. 에틸렌글리콜의 3차원 구조
- 그림문자 :
- 성상 : 액체, 색상 : 무색
- 녹는점 (어는점) : -13
- 초기 끓는점 : 198
- 용해도 : 100mg/L (at 65)
- 증기밀도 : 2.1 (공기=1)
- 비중 : 1.1 (물=1)
- 점도 : 16.1cP (at 25)
- 분자량 : 62.07
- 유해성 및 위험성 : 특정 표적장기 독성
① Ostwald 점도계
- 점도계를 이용해 표준물질인 4물과 측정하는 유체의 밀도를 비교해 다음 식을 이용하면 최종적으로 측정하고자 하는 유체의 점성도를 구할 수 있다.
( : 점성도, : 시간, : 밀도 )
Fig 6. Ostwald 점도계
② 비중병
- 비중병을 이용해 액체의 비중을 측정한다.
( : 액체의 무게, : 4에서의 물의 무게, : 비중병의 무게 )
Fig 7. 비중병
③ 온도계
- 유체의 점도는 온도에 민감하기 때문에 유체의 온도를 정확히 측정하기 위해 사용한다.
④ Stop watch
- 오스트발트 점도계로 유체가 일정 간격을 흐르는 속도를 측정하기 위해 사용한다.
⑤ Pipet filler
- 고무 재질로 되어있으며 피펫에 끼워 시약을 옮기기 위한 도구이다. 필러를 끼우고 눌러 납작하게 만들면 고무의 복원력으로 인해 필러 내부의 압력이 낮아지고, 아래쪽 피펫과 근접해 있는 볼을 누르면 피펫에 담긴 액체를 빨아올리게 된다.
Fig 8. 피펫 필러
4. 실험 방법
(1) 시료로 에틸렌글리콜 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100%를 조제한다.
(2) 실험실 온도를 측정한다.
(3) Pipette으로 일정한 체적(정확히 15 ml)의 증류수를 취하여 c로 주입하고 약 10분간 방치한다.
(4) Pipet filler를 이용해 e에서 d내의 증류수를 흡인하여 액면의 높이를 눈금 a위로 오게 한다.
(5) 증류수를 그대로 흘려보내 액면이 a,b를 통과하는 시간을 stop watch로 3회 즉청하여 평균치를 구한다.
(6) 같은 방법으로 조제한 각 시료에 대하여 실험을 행하고 통과 시간을 각각 측정한다.
(7) 비중병을 이용하여 각 시료의 밀도를 측정한다.
5. 참고 문헌
[1] 3학년 1학기 ‘단위조작 및 실험‘ 실험노트
[2] 안전보건공단 화학물질정보 MSDS - 에틸렌글리콜
[3] Yunas A.cengel 외 1명, <유체역학>, Mc Graw-hill Korea, Page 220~221 , 2005