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목차

I. 실험 목적
II. 이론
III. 실험 장치 및 방법
IV. 실험결과 데이터 처리
V. 결과 분석 및 토의
VI. 참고문헌

본문내용

I. 실험 목적
본 실험의 목적은 중력이 영향을 미치고 있는 상황에서 단일구가 액체 중에서 침강할 때 단일구가 지니고 있는 중력과 액체의 부력과 항력 사이의 현상을 수식적으로 이해하고 항력 계수 (drag coefficient)와 Reynold’s number의 관계를 알아보고 장치 조작 방법을 익히도록 한다.
점도가 서로 다른 액체 사이에서의 침강 현상을 관찰하고 측정한다. 단일구를 투입하였을 때 떨어지는 일정한 거리에 대한 시간을 측정하여 종말 속도를 계산한다.

II. 이론
침강이란 유체 중에 함유된 밀도가 큰 입자가 중력이나 원심력의 작용을 받아 그 방향으로 이동하는 현상을 뜻한다. 침강을 자유 침강과 간섭 침강 두 가지로 나뉜다. 자유 침강 (free settling)은 중력 이외에 아무런 외부 영향을 받지 않을 때이고, 간섭 침강은 입자의 운동이 다른 입자 및 벽으로부터 방해를 받을 때이다.
따라서, 단일구가 유체 내에서 침강할 때 받는 힘은 항력과 중력 그리고 부력이다. 항력은 물체가 유체 내를 움직일 때 저항하는 힘이다.

참고자료

· 2023학년도 1학기 화공실험(2) 교재, 2023, pg. 20 ~ 23
· Warren L.McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriot, (1993), Unit Operations of Chemical Engineering 5th International edition. Mc Graw Hill, Chapter7. Flow past immersed bodies (pg.147 ~ 174)
· Noel de Nevers, Geoffrey D.Silcox, (2022), Fluid Mechanics for Chemical Engineers 4th edition, Mc Graw Hill, Chapter6. Fluid Friction in Steady, One-Dimensional Flow (pg. 177 ~ 230)
· “[화공실험1] 침강속도 측정 실험 (An experimental determination of the drag coefficient)”, 2016, 미누리 오누리 네이버 블로그, https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=dkskzhs3&logNo=220741568692
· “침강구이론과실습.pdf”, 2023, LearnUS
· MSDS 물질안전보건자료 pdf, Glycerin, USP Reference Standard, 2022, MERCK SigmaAldrich, https://www.sigmaaldrich.com/KR/ko/product/usp/1295607
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- 1. 침강 현상 및 종말 속도
  
  침강 현상은 유체 내에서 입자가 중력의 영향으로 하강하는 기본적인 물리 현상으로, 종말 속도에 도달할 때까지 가속도가 감소하다가 결국 일정한 속도에 도달합니다. 이는 중력, 부력, 항력이 평형을 이루는 상태이며, 실제 산업 응용에서 매우 중요합니다. 종말 속도는 입자의 크기, 밀도, 유체의 점도 등에 따라 달라지므로, 이를 정확히 예측하는 것은 침전 분리, 광물 처리, 환경 공학 등 다양한 분야에서 필수적입니다. 스톡스 법칙을 포함한 이론적 모델들이 존재하지만, 실제 조건에서는 난류 효과와 입자 간 상호작용으로 인해 편차가 발생하므로 실험적 검증이 중요합니다.
- 2. 항력 계수와 레이놀즈 수
  
  항력 계수와 레이놀즈 수의 관계는 유체역학에서 가장 핵심적인 개념 중 하나입니다. 레이놀즈 수는 유동의 성질을 결정하는 무차원 수로, 층류에서 난류로의 전환을 나타내며, 항력 계수는 이에 따라 크게 변합니다. 저 레이놀즈 수 영역에서는 항력 계수가 레이놀즈 수에 반비례하지만, 고 레이놀즈 수 영역에서는 거의 일정한 값을 유지합니다. 이러한 비선형 관계를 정확히 이해하는 것은 침강 속도 예측, 항공기 설계, 파이프라인 유동 등에서 매우 중요하며, 실험적 데이터와 이론적 모델의 비교를 통해 검증되어야 합니다.
- 3. 실험 장치 및 방법
  
  침강 실험의 성공은 정확한 장치 설계와 체계적인 방법론에 달려 있습니다. 투명한 원통형 용기, 정밀한 측정 도구, 일정한 온도 유지 장치 등이 필수적이며, 입자의 초기 위치, 방출 방법, 측정 시점 등을 표준화해야 합니다. 고속 카메라나 이미지 분석 기술을 활용하면 더욱 정확한 데이터를 얻을 수 있습니다. 또한 다양한 크기의 입자, 서로 다른 유체, 변화하는 온도 조건 등을 체계적으로 변화시켜 실험해야 합니다. 재현성 있는 결과를 얻기 위해서는 실험 환경의 통제와 측정 절차의 일관성이 매우 중요합니다.
- 4. 오차 분석 및 개선 방안
  
  침강 실험에서 발생하는 오차는 체계적 오차와 우연적 오차로 구분되며, 각각에 대한 대응 방안이 필요합니다. 벽면 효과, 입자 간 상호작용, 온도 변화, 측정 기기의 정확도 등이 주요 오차 원인입니다. 개선 방안으로는 충분히 큰 용기 사용, 낮은 입자 농도 유지, 정밀한 온도 제어, 고해상도 측정 장비 도입 등이 있습니다. 또한 여러 번의 반복 실험을 통해 통계적 오차를 감소시키고, 이론값과의 비교를 통해 체계적 오차를 파악할 수 있습니다. 불확도 분석을 정량적으로 수행하여 결과의 신뢰도를 명확히 제시하는 것이 과학적 실험의 필수 요소입니다.
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