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기기분석 레포트

기기분석1. 자외선-가시광선 분광분석의 기본원리 및 전자전이의 종류와 특징을 설명1) UV-Vis 분광분석의 기본 원리UV-Vis Spectrophotometer는 어떤 시료 분자가 흡수하는 빛의 파장과 그 흡광도를 측정하는 분석기기이다. 그 원리는 다음과 같다. 원자 또는 분자가 외부에서 빛 에너지를 흡수하면 전자 전이 및 진동, 회전, 병진 등의 분자운동을 한다. 이때 물질의 종류에 따라 흡수하는 특정 파장이 다르고, 그에 따라 나타나는 흡수 스펙트럼 또한 다르다. 흡수하는 파장에 따라 원자 또는 분자의 전자 구조 및 조성을 알 수 있고, 그 흡광도에 따라 원자나 분자의 농도를 알 수 있다.figure1. 전자전이 figure2. 원자전이 figure3. 분자전이2) 전자전이의 종류와 특징전자전이란, 원자와 분자에서 하나의 전자 배치상태에서 다른 전자 배치상태로 변이하는 것을 말한다. 예를 들어 원자와 분자의 바닥 전자상태가 광흡수에 의해 들뜬 전자상태로 변이하는 것 등이 이것에 해당한다. 물질의 종류에 따라 금속 및 유기화합물로 나누어 살펴보면 다음과 같다.① 전이금속, 금속착화합물 전자전이의 종류먼저, 전이금속의 전자전이는 d-d transiton으로, d오비탈의 갈라짐 때문에 에너지 차이가 생겨 그에 해당하는 가시광선 영역의 빛을 흡수 및 방출한다. 따라서 전이금속 착물의 경우 색을 나타낸다. 전이금속의 전자전이는 라포테 금지 전이(분자 내에 대칭중심이 있을 경우 반전성이 변화하는 전자전이는 금지된다.)로, 흡수 강도가 낮다.두 번째로, 전하이동 전이는 금속에서 리간드로의 전자전이(MLCT: metal to ligand charge transfer) 및 리간드에서 금속으로의 전자전이(LMCT: ligand to metal transfer)가 있다. 이는 완전히 허용된 전이로, 흡수띠의 세기가 강해지고 몰 흡수율이 크다. 따라서 미량의 경우도 검출할 수 있다. 이를 통해 d-d transtion의 한계를 극복하여 착화합물의 d-전자의 분포, 스핀 방향,M.O는 유기화합물 중 O, N, S 및 할로겐 원자가 있을 경우 존재하며, 결합 및 안정성에 기여하지 않는다. 또한, 전자의 전이는 바닥상태에서 들뜬상태로 가는 것을 말하므로, 전자가 bonding orbital에서 anti-bonding orbital로 올라가는 것을 의미한다.전자 전이는 전자전이를 일으키는 전자 및 오비탈의 종류에 따라 다음의 세가지로 구분한다. (㉠ σ, π-e^{- }포함 전이, ㉡ d, f-e^{- }포함 전이, ㉢ 전하이동 전이)figure6. 궤도함수㉠ σ, π-e^{- }포함 전이유기화합물의 전자는 결합에 참여하는 형태에 따라 σ-e^{- }, π-e^{- }, n-e^{- }로 구분한다(figure 4, 5 참고). 전자 전이는 선택 규칙에 의해 제한된 에너지 준위에서만 가능하며, 허용된 전이는 다음의 4개이다.먼저, σ →sigma ^{*} 전이는 가장 큰 에너지를 필요로 하는 전이이다. 진공상태에서만 관찰이 가능하며, 보통 포화 탄화수소의 C-H 또는 C-C결합의 전자전이에서 관찰된다. 전자전이가 일어날 때 흡수되는 에너지의 영역은 진공자외선영역(200nm 미만)이다.두 번째로, n →sigma ^{*} 전이 또한 높은 에너지를 필요로 한다. n-e^{- }를 포함하는 치환기(O, N, S, 할로겐)가 있는 포화유기화합물에서 나타난다. 전자전이시 흡수하는 에너지 영역은 원적외선영역(180-250nm)이다. 극성용매일 때 흡수 파장이 낮아진다.세 번째로, n →{π}^{*}전이의 경우 중간 크기의 에너지를 흡수한다. π-M.O를 포함하는 유기물에서 나타나는 전자전이이다. 다중결합이 conjugation된 폴리머를 포함한 화합물에서 나타난다. 전자전이시 흡수하는 에너지 영역은 자외선영역(180nm 이상)으로, 광범위한 흡수띠를 나타내어 유기화합물에서 가장 실용적인 전자전이이다. 또한, 용매의 극성이 증가할 때 최대 흡수 파장이 짧은 쪽으로 이동하는 청색이동(Blue Shift) 현상이 일어날 수 있다.네 번째로, π →{π}^나고, 전이금속의 3d, 4d-e^{- }의 전이로 흡광이 일어난다.두 번째로, d → d 전이는 결정장 이론 또는 리간드장 이론을 따른다. 때문에 전이금속 이온 중의 d-orbital이 높은 에너지와 낮은 에너지로 나눠질 때, d-e^{- }가 높은 오비탈로 올라간다.㉢ 전하이동 전이전하이동 전이는 한 분자 내에 강한e^{- } donor와e^{- } acceptor가 공존할 때 나타난다. 전하이동 흡수대는 허용 전이에 기인하는 것이므로 흡수 강도는 매우 높은 것이 많다. 따라서 몰 흡수율이{epsilon }_{max} >10,000 으로 가장 크므로 미량 분석에 용이하고, 정량 시 정확한 결과를 얻을 수 있다. 전하이동 전이 시 빛의 흡수 에너지는DELTAE = h nu = { hc} over { lambda } 이다. 흡수띠의 세기는 빛의 흡광도 또는 투광도로 측정되며, 전자전이의 특성, 흡수물질의 농도 등에 영향을 받는다.2. Lambert-Beer법칙의 흡광도 계산식을 유도하고 Beer법칙의 가정을 설명1) Lambert-Beer법칙의 흡광도 계산식 유도figure8. 흡광측정 cellI_{0 }: 입사광의 세기, I : 투과광의 세기,b: 용액층의 두께, c: 용액의 농도Lambert-Beer’s rule은 빛을 흡수하는 매질이 용액일 때, Lambert식의 흡수계수(a=α·c)가 용액의 농도와 비례한다는 것이다. Lambert-Beer’s rule의 흡광도 계산식 유도 과정은 다음과 같다.{ dA} over { A} PROPTO db-{ dI} over { I} PROPTO db int _{I _{0}} ^{I} {{dI} over {I}} =`-k int _{0} ^{b} {db}ln {I} over {I _{0}} =-kb →log { I} over { I_{ 0} } = - k^{ prime }b단면적 내 용질 분자수:{n} over {s} PROPTOb (b가 일정할 때n PROPTO c 이다.)log { I} over { I_{ 0} } 능 하기 때문이다. 또한, 떠돌이 복사광(Stray light)에 의한 편차도 존재한다. 설령 단색화 장치를 통과한 단일 빛을 생성한다고 하더라도, 이는 산란광이나 Stray light에 의해 오염된다. 이러한 빛은 시료에 흡수되지 않고 검출기에 감지된다. 이러한 오차는 광원의 파장 한계 근처에서 나타나므로 자외선 영역 200nm이하에서의 흡광도 측정에 유의해야한다.세 번째로, 화학적 요인에 의한 한계 또한 존재한다. 화합 및 고분자화 반응의 경우 UV-Vis영역에서의 오차에 중요한 요인이 된다. 이외에도 용매, 온도, 광화학 반응에 의한 영향이 있다.이러한 여러 오차원인 및 한계를 보정하기 위해 Lambert-Beer’s rule을 사용할 때 몇가지 상황을 가정한다. 먼저, 모든 용액은 이상용액으로, 용액 중에서 분자나 원자간의 상호인력 및 분자간 인력 또는 척력이 존재하지 않는다. 또한, 모든 빛은 단색광이다. 모든 빛은 반사, 굴절, 흡수가 일어나지 않으며, 투과만 일어난다.3. 적외선 분광분석의 기본 진동 Mode를 도시하고 각각의 특징을 설명분자의 진동에너지 준위들 사이에서 전이가 일어날 때는 적외선이 흡수 또는 방출된다. 이러한 적외선 스펙트럼을 분석하여 분자구조에 대한 여러 정보를 획득할 수 있는데, 이를 적외선 분광분석이라 한다. 780nm-1000μm의 영역을 적외선 영역이라 하고, 이는 근적외선(NIR), 중적외선(Mid IR), 원적외선(Par IR)로 구분한다. UV-Vis 분광법은 전자전이에 바탕을 두고 있지만, 적외선 흡수 분광법은 분자의 운동 및 회전운동과 관련되어있다. 어떤 분자에 적외선을 주사하면 X-ray, UV, Visible 보다 에너지가 낮기 때문에 원자 내 전자의 전이를 일으키지 못하고, 분자의 진동, 회전, 병진 등과 같은 여러 분자운동을 일으키게 된다. 이러한 분자의 진동에 의해 특수한 흡수 스펙트럼이 나타나며, 이를 분자의 진동 스펙트럼 또는 적외선 스펙트럼이라 한다.적외선은 시료 분자의 진동운동이나 회전운동에 의해 진동 방식의 수기준 진동 방식이란 다른 진동 방식에 영향을 받지 않는 진동 방식을 의미한다. 분자 내에 가능한 진동 방식의 예측을 통해 피크 수를 대략적으로 짐작할 수 있으므로 유의미하다. 분자의 형태에 따라 다음의 식을 이용하여 기준 진동 방식 수를 예측할 수 있다.선형 분자: 3N-5비선형 분자: 3N-6(N: 원자의 수)분자가 신축진동을 일으킬 때 요구되는 파수는 2분자 내의 결합 세기에 비례하고, 분자 내 원자들의 질량에 반비례하며, 진동에너지 결합의 세기 및 환산질량에 의존한다. 분자를 구성하는 작용기는 그 종류에 따라 서로 다른 결합의 세기 및 환산 질량을 가지기 때문에, 이들이 신축운동을 일으키기 위해서는 고유한 주파수의 빛 에너지를 흡수해야 한다. 따라서 각 작용기는 특유의 IR 스펙트럼을 나타내기 때문에 분광분석법을 통해 분자의 작용기를 확인, 분자 구조를 추측할 수 있다.4. 주파수 계산식을 이용한CO _{2}의 주파수를 계산진동전이에 필요한 에너지를 구하는 공식은 다음과 같다.질량m_{ 1},m_{ 2}를 갖는 원자가 결합한 분자의 진동수nu _{m} = {1} over {2 pi } sqrt {{kappa } over {mu }} = {1} over {2 pi } sqrt {{kappa (m _{1} +m _{2} )} over {m _{1} m _{2}}} (κ: 결합의 힘상수, μ: 환산 질량)진동에너지E=( upsilon + {1} over {2} )h nu _{ m} (υ: 진동 양자수)E=( upsilon + {1} over {2} ) {h} over {2 pi } sqrt {{kappa } over {mu }} =( upsilon + {1} over {2} ) {h} over {2 pi } sqrt {{kappa (m _{1} +m _{2} )} over {m _{1} m _{2}}}진동 양자수 υ=0 → υ=1 전이에 필요한 에너지DELTA E=( {3} over {2} h nu - {1} over {2} h nu )=h n

공학/기술| 2021.11.17| 11페이지| 5,000원| 조회(216)

기기분석, IR, UV-Vis, 전자전이, Lambert-beer 법칙, Blue..

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물리화학 레포트 - 날개 없는 선풍기의 원리

「물리화학 레포트」날개 없는 선풍기의 원리목차1. 서론 22. 배경 이론2.1. 베르누이의 법칙 32.2. 양력 53. 현상 설명3.1. 원기둥 받침대의 원리 83.2. 고리 모양 원의 원리 94. 결론 115. 참고문헌121. 서론날개가 회전하여 바람을 만드는 기존의 선풍기의 경우 선풍기 안에 손을 넣어 날개에 손을 다치는 사고가 빈번하게 일어났다. 또한 날개가 돌아가 바람을 발생시키는 원리이기 때문에 바람이 끊기는 경우도 있고, 날개를 분리하여 청소하기도 어렵다. 따라서 최근에는 날개 없는 선풍기가 많이 상용되고 있다.날개 없는 선풍기의 정식 명칭은 ‘에어 멀티플라이어(Air Multiplier)’로, 공기를 증폭시킨다는 뜻을 가지고 있다. 바람을 강하게 만드는 원리는 비행기의 원리와 같다. 원기둥의 받침대에는 비행기의 제트원진의 원리가 사용되었고, 고리 모양의 원에는 비행기 날개의 원리가 사용되었다. 또한, 이러한 원리는 베르누이의 법칙(Bernoulli’s theorem)을 기반으로 한다.본 보고서는 날개 없는 선풍기의 원리와 그 기반이 되는 비행기의 원리를 알아본다. 이에 더해 이론상의 원리인 양력과 베르누이의 법칙 또한 알아본다.2. 배경 이론2.1. 베르누이의 법칙베르누이의 법칙이란, 유체의 흐름이 빠른 곳의 압력은 유체의 흐름이 느린 곳의 압력보다 작다는 이론이다. 이를 통해 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정함을 알 수 있다. 베르누이의 법칙을 수식화하면 다음과 같다.P_{ 1}+ rhogy _{ 1} + { 1} over {2 } rho v _{ 1} ^{ 2}=P_{ 2}+ rhogy _{ 2} + { 1} over {2 } rho v _{ 2} ^{ 2}(P: 압력, ρ: 유체의 밀도, y: 높이, v: 유체의 속력)[Fig 1] 베르누이의 법칙‘면적-속도 일정 법칙 (A_{ 1}v _{ 1}=A_{ 2}v _{ 2})’을 통해 유체가 넓은 통로를 지날 때 속도가 느리고, 좁은 통로를 지날 때 속도가 빠름을 알 수 있다. 즉, [Fig 1]의 오른쪽의 넓은 통로를 1지점, 왼쪽의 좁은 통로를 2지점이라 할 때A _{1}>A _{ 2}이므로v_{ 1}P _{ 2}임을 알 수 있다. 이는 [Fig 1]의 물기둥의 높이차를 통해 볼 수 있는 결과와 일치한다.베르누이의 법칙에 의해 나타나는 현상으로 마그누스 효과가 있다. 마그누스 효과란 회전하는 물체가 유체 속을 지나갈 때 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 휘어져 나가는 것을 말한다.[Fig 2] 마그누스 효과예를 들어 [Fig 2]와 같이 공이 회전할 때, 공의 왼쪽은 공의 회전 방향과 공기의 흐름이 같아 공과 공기의 접촉 면적이 낮다. 따라서 공기의 흐름이 빠르고, 기압이 낮다. 따라서 공은 기압이 높은 오른쪽에서 기압이 낮은 왼쪽으로 휘어져 날아간다.2.2. 양력베르누이의 법칙이 적용되는 대표적인 예로, 양력이 있다. 양력이란 고체와 유체 사이에 움직임이 있을 때 그 움직임에 수직한 방향으로 발생하는 힘으로, 비행기나 새의 날개에 작용하여 하늘을 날 수 있게 하는 힘이다.비행기가 날 때 다음의 힘이 작용한다.[Fig 3] 비행기 날개에 작용하는 힘을 보여주는 수직 단면비행기의 엔진을 통해 공기를 밀어내어 추력을 생성하는데, 이에 저항하여 공기의 마찰력인 항력이 발생한다. 또한 추력으로 인해 비행기가 앞으로 나아가면 중력을 이길 수 있는 양력이 발생하여 비행기가 날 수 있다. [Fig 3]과 같은 비행기의 날개 단면을 익형이라고 하는데, 이러한 비대칭 형태는 항력보다 큰 양력을 발생시켜 비행기를 뜨게 할 수 있다. 양력을 설명하는 이론은 다양하다.먼저, 뉴턴의 운동법칙으로 양력을 설명할 수 있다. 유체는 분자의 움직임이 자유로우므로 비행기의 날개를 지나면서 날개의 모양과 같이 방향이 아래로 휘어진다. 즉, 뉴턴의 운동 제2 법칙에 따라 비행기 날개가 공기에 아래 방향으로 힘을 가함으로 해석할 수 있다. 이는 뉴턴의 운동 제3 법칙에 따라 그 반작용으로 공기가 날개에 위 방향으로 힘을 가함을 뜻한다. 이렇게 공기가 날개에 작용하는 힘이 양력이다.두 번째로, 베르누이의 법칙을 이용해서 양력을 설명할 수 있다.[Fig 4] 비행기 날개에 작용하는 양력비행기가 유체를 지나갈 때, 익형에 의해 날개 위쪽의 공기는 속도가 빠르고 아래쪽의 공기는 속도가 느리다. 따라서 베르누이의 법칙에 의해 날개 위쪽은 기압이 낮고, 아래쪽은 기압이 높아진다. 이로 인해 날개의 아래에서 위로 미는 힘이 발생하고 이를 양력이라 한다.양력은 공기의 밀도, 속도, 표면적 등 여러 조건에 의존성을 가진다. 비행체의 전 표면에 대한 압력과 응력의 분포를 알면 수학적으로 양력을 구할 수 있으나, 이는 사실상 불가능하다. 따라서 이를 처리하기 위해 양력 계수 CL을 도입한다. 이를 이용해 양력을 수식화하면 다음과 같다.L= { 1} over {2 }C _{ L} rhov ^{ 2}A(ρ: 유체의 밀도, v: 비행기의 속도, A: 날개의 표면적)이 식을 이용해 양력계수를 실험적으로 결정할 수 있고, 비행기가 뜨기 위한 속도나 적절한 날개의 크기 및 재질 등을 결정하는 데 도움을 줄 수 있다.3. 현상 설명날개 없는 선풍기의 원리는 크게 원기둥 받침대에 사용되는 제트엔진 원리와 고리 모양의 원에 사용되는 비행기 날개의 원리가 사용된다.[Fig 5] 날개 없는 선풍기의 원리3.1. 원기둥 받침대의 원리비행기에 사용되는 제트엔진은 날개를 돌려 바깥 공기를 안으로 빨아들인다. 흡입한 공기는 압축기를 이용해 고온, 고압의 상태로 바뀌어 연소실로 보내진다. 연소실에서는 연료를 분사하여 흡입한 공기와 섞어 연소시키고, 이 연소 가스를 분사구를 통해 뒤쪽으로 배출한다. 이 대 연소 가스는 흡입구 쪽의 공기보다 압력이 커지고, 이 차이만큼 추진력이 생긴다.[Fig 6] 제트엔진의 원리날개 없는 선풍기의 받침대에도 전기 모터와 날개가 들어있어 이들이 회전하면서 바깥에 있는 공기를 빨아들인다. 이렇게 빨아 올린 공기를 위쪽의 둥근 고리 내부로 밀어 올려 바람을 내보내는데 사용한다. 한편, 원기둥의 받침대에서 빨아들인 공기가 둥근 고리 내부로 올라가면 앞서 설명한 바와 같이 ‘면적-속도 일정 법칙(A_{ 1}v _{ 1}=A_{ 2}v _{ 2})’에 의해 유속이 88km/hour까지 증가한다.선풍기에 사용된 모터는 1초에 약 20L의 공기를 빨아들일 수 있다. 기존의 날개 회전을 이용한 선풍기에 비해 적은 양의 전력으로 일을 할 수 있어 에너지 효율이 좋다.3.2. 고리 모양 원의 원리날개 없는 선풍기의 고리 모양 원의 단면은 다음 그림과 같이 속이 빈 비행기 날개의 모양이다. 고리는 1.3mm 정도의 작은 틈을 사이에 두고 맞물려있다. 고리 모양의 원을 통해 바람을 일으키는 원리는 베르누이의 법칙으로 설명할 수 있다.P_{ 1}+ rhogy _{ 1} + { 1} over {2 } rho v _{ 1} ^{ 2}=P_{ 2}+ rhogy _{ 2} + { 1} over {2 } rho v _{ 2} ^{ 2}[Fig 7] 속이 빈 고리 내부와 그 주변에서 바람이 생기는 원리원기둥의 받침대에서 빨아들인 공기가 속이 빈 둥근 고리 내부로 올라가면 유속이 88km/hour까지 증가한다. 빠른 속력의 공기가 빈 고리 내부의 작은 틈을 통해 빠져나오면서 유속이 더 증가할 수 있다. 베르누이의 법칙에 의하면 속력이 빠른 기체의 경우 압력이 낮으므로 둥근 고리 안쪽의 기압은 낮아진다.

공학/기술| 2021.11.17| 13페이지| 2,500원| 조회(288)

물리화학, 비행기, 양력, 베르누이 법칙, 날개 없는 선풍기, 에어 멀티플라이어, Air multiplier

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