소개글
"연소열과 통열량계"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서 론
1.1. 연소열과 통열량계의 이해
1.2. 열, 일 및 내부에너지의 개념
1.3. 열역학 제 1법칙과 엔탈피
1.4. 연소 엔탈피와 헤스의 법칙
2. 실험 이론
2.1. 열용량의 정의와 측정
2.2. 통열량계의 구조와 특징
2.3. 연소 반응과 연소 엔탈피 측정
3. 실험 재료 및 기구
3.1. 화학 시약: 벤조산, 나프탈렌
3.2. 실험 장비: 펠릿 압축기, 통열량계
4. 실험 방법
4.1. 펠릿 제작
4.2. 통열량계 조립 및 준비
4.3. 온도 측정 및 점화
5. 실험 결과 및 분석
5.1. 벤조산을 이용한 통열량계의 열용량 측정
5.2. 벤조산의 연소 엔탈피 계산
5.3. 나프탈렌의 연소 엔탈피 계산
6. 고 찰
6.1. 실험 결과 해석
6.2. 실험 오차 원인 분석
6.3. 통열량계의 응용 사례
7. 결 론
7.1. 실험 목적 달성 확인
7.2. 실험 결과 요약
7.3. 향후 연구 방향
8. 참고 문헌
본문내용
1. 서 론
1.1. 연소열과 통열량계의 이해
열은 물리학에서 계와 주위의 온도 차이에 따라 이동하는 에너지이다. 일반적으로 열은 열량계를 이용하여 측정할 수 있는데, 이때 열량계의 열용량은 물질 1도를 높이는 데 필요한 열량이다. 연소열은 물질 1몰이 완전히 연소되면서 발생하는 열량이다.
봄베 열량계는 연소 반응을 이용하여 연소열을 측정하는 장치이다. 봄베 열량계는 고압의 산소 기체가 채워진 강철 용기, 용기 내부의 물, 그리고 단열 재킷으로 구성되어 있다. 시료를 용기에 넣고 점화하면 발생한 열이 용기 내부의 물에 흡수되어 온도 상승이 일어난다. 이때 온도 변화와 물의 열용량, 용기의 열용량을 이용하여 시료의 연소열을 계산할 수 있다.
봄베 열량계를 이용하면 시료의 연소 엔탈피를 계산할 수 있다. 엔탈피는 열역학 제1법칙에 의해 내부에너지 변화량과 압-체적 일 변화량의 합으로 표현된다. 따라서 봄베 열량계에서 측정한 내부에너지 변화량과 압-체적 일 변화량을 더하면 시료의 연소 엔탈피를 구할 수 있다. 또한 엔탈피는 상태 함수이므로 반응 경로와 관계없이 초기 상태와 최종 상태만의 함수로 표현할 수 있다.
연소 반응은 발열 반응이며, 반응물과 생성물이 명확하기 때문에 연소열 측정이 비교적 간단하다. 액체와 고체의 연소는 봄베 열량계, 기체의 연소는 유코스 열량계로 측정한다. 봄베 열량계에서 발생한 열은 내부의 물에 흡수되며, 이를 이용하여 연소열을 간접적으로 측정할 수 있다.
1.2. 열, 일 및 내부에너지의 개념
일(work; w)은 물리학에서 외부 힘에 의해 물체가 이동할 때 발생하는 에너지 이동의 정도를 의미하며, 열역학에서는 하나의 계에서 다른 곳으로 이동하는 에너지의 양을 의미한다. 일반적으로 일을 나타낼 때 단위로 joule을 사용한다. 열(Heat; q)은 계와 주위의 온도 차이에 의해서 발생하는 에너지 이동을 의미한다. 열과 일은 대표적인 path function에 해당하기 때문에 반응 경로에 따라서 다른 값을 갖는다는 특징이 있으며, 단위로 cal이나 joule을 사용한다.
내부에너지(Internal energy; U)는 계의 전체 에너지와 같은 값으로 ∆U=Uf-Ui로 나타낼 수 있다. 내부 에너지는 state function에 해당하는 개념이기 때문에 경로와는 무관하게 현재 상태에 따라서 값이 결정된다는 특징이 있다.
열역학 제 1법칙은 에너지 보존의 법칙으로, 고립계에서는 에너지의 유입이 불가능하기 때문에 내부 에너지가 항상 일정하다고 설명한다. 이를 식으로 표현하면 ∆U=q+w 또는 du=dq+dw로 나타낼 수 있다. 열역학 제 1법칙이 시공간에 관계없이 항상 성립하는 것은 내부에너지가 운동량에 대한 함수와 위치에 대한 함수의 합으로 표현되기 때문이다.
1.3. 열역학 제 1법칙과 엔탈피
열과 일은 에너지를 물리적으로 다른 방식으로 이동시키는 것이다. 일은 외부 힘에 의해 물체가 이동할 때 발생하는 에너지 이동을 의미하며, 열은 온도 차이로 인해 발생하는 에너지 이동을 의미한다. 일반적으로 일은 joule 단위로, 열은 cal이나 joule 단위로 나타낸다.
내부에너지는 계의 전체 에너지와 같은 값으로 상태함수의 성질을 가지므로 경로와 무관하게 계의 현재 상태에 따라 결정된다.
열역학 제 1법칙은 에너지 보존의 법칙으로, 고립계에서 에너지의 유입이 불가능하여 내부에너지가 항상 일정하다고 설명한다. 이를 식으로 표현하면 ΔU=q+w 또는 du=dq+dw로 나타낼 수 있다.
엔탈피는 H=U+PV로 나타낼 수 있으며, 반응물과 생성물의 상태에만 의존하는 상태함수이다. 따라서 반응 경로와 무관하게 연소 엔탈피를 계산할 수 있다. 또한 일정 압력 조건에서 ΔH=Δqp로 나타낼 수 있다.
연소 엔탈피는 물질 1몰이 완전 연소할 때 발생하는 열로, 발열 반응이며 빠르고 완결되는 특징이 있다. 연소 엔탈피는 봄베 열량계나 유코스 열량계로 측정할 수 있다.
열용량은 물질의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열량으로, 물질의 양에 비례하는 extensive property이다. 특히 단위 질량의 물질에 대한 열용량은 비열(Cp, Cv)로 표현된다.
열량계는 화학 반응에 동반되는 열의 이동을 온도 차이를 통해 계산할 수 있는 도구로, 단열 열량계와 통 열량계 등이 있다. 통 열량계는 강철 용기이므로 열손실이 적어 정확한 측정이 가능하다.
1.4. 연소 엔탈피와 헤스의 법칙
엔탈피는 반응물과 생성물의 상태에만 의존하므로 여러 개의 반응을 통해 간접적으로 엔탈피를 계산할 수 있으며, 하나의 반응에 대해서도 수많은 경로를 통해 엔탈피를 계산할 수 있다. 이를 이용하면 표준 상태의 원소에서 새롭게 1몰의 물질이 형성될 때 필요한 엔탈피인 표준 생성 엔탈피를 이용해서 표준 반응 엔탈피를 계산할 수 있다.
표준 반응 엔탈피는 생성물의 표준 생성 엔탈피에서 반응물의 표준 생성 엔탈피를 뺀 값으로 계산할 수 있다. 이는 헤스의 법칙으로 알려진 것으로, 반응의 최초와 최종 상태만 동일하다면 중간 과정에 관계없이 엔탈피 변화량은 일정하다는 내용이다. 따라서 표준 생성 엔탈피 데이터를 이용하면 복잡한 반응의 표준 반응 엔탈피를 간단히 계산할 수 있다.
엔탈피는 일정 압력 조건에서 압-부피 일과 열에 의한 에너지 변화량을 나타내는 개념이다. 엔탈피 변화는 ΔH=ΔU+PΔV와 같이 표현되며, 여기서 ΔU는 내부에너지 변화, PΔV는 압-부피 일에 해당한다. 일정 압력 하에서 진행되는 반응의 경우 PΔV항이 유의미하므로, 엔탈피 변화가 열 에너지 변화와 동일하다는 사실을 활용할 수 있다. 즉, ΔH=Δqp가 성립하여 반응 과정에서 방출되거나 흡수되는 열량을 엔탈피 변화로 간주할 수 있다.
연소 반응은 대표적인 발열 반응으로, 1몰의 물질이 완전히 연소될 때 발생하는 열량을 연소 엔탈피 또는 연소열이라 한다. 연소열은 물질의 고유한 특성이며, 다른 화학 반응에 의해 발생하는 열보다 측정이 용이하다는 장점이 있다. 따라서 연소열 데이터는 화학 반응의 엔탈피 변화를 추정하는데 널리 활용된다.
벤조산의 연소 반응을 예로 들면, 2C7H6O2 + 15O2 → 14CO2 + 6H2O의 화학식으로 표현된다. 이때 벤조산 1몰이 완전히 연소될 때 발생하는 열량은 -3227kJ/mol이다. 이러한 연소 엔탈피 데이터와 헤스의 법칙을 이용하면 다양한...
참고 자료
대한화학회, 물리화학실험, 교문사 1999, pp22-27
Atkins, physical chemistry, 9th ed, 2010, pp48-57
대한화학회, <물리화학실험>, 청문각(2009), p.22 ~ p.27
MSDS”작성일 알 수 없음, 안전보건공단 화학물질정보, 2020. 06. 03. 접속,
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