1. 실험 제목레이놀즈 수2. 실험 목적실제 유체의 유동은 점성유동으로 이상유체의 비점성유동보다 복잡하고 문제해결이 어렵다. 이러한 점성유동은 층류, 천이, 난류로 구분된다. 본 실험은 저수조의 수조를 일정하게 유지하면서 관내의 유체의 유동상태와 레이놀즈수와의 관계를 이해하고 층류와 난류의 개념을 이해하며, 임계 레이놀즈수를 산출하고자 한다. 간단하게 정리하면 다음과 같다.① 층류와 난류를 이해한다.② 임계 속도를 구하고 문헌치와 비교 검토한다.③ 레이놀즈 수를 명확히 이해한다.④ 관에서 최대 유속을 구한다⑤ 전이길이를 구하여 유량계의 설치 지점을 파악한다.3. 이론? 어떤 단면의 밀폐된 통로를 유체가 흐를 때는 조건에 따라서 두 가지 다른 양식의 흐름 중 어느 한 양식의 흐름이 생긴다.? 탱크의 유속이 작을 때 잉크의 흐름은 물의 흐름에 섞이지 않고 일직선으로 흐른다. 이를 층류(laminar flow)라 한다.? 만일 유속을 크게 하면 잉크의 흐름은 일직선이 되지 않고 섞여서 흐르게 도니다. 이를 난류라 한다. 층류에서 난류(tubulent flow)로 변화할 때의 유속을 임계 속도(critical velocity)라 한다.? 레이놀즈 수가 2100보다 작을 때는 층류가 되고, 4000보다 클 때는 난류가 형성된다. 그 중 중간 영역을 층류와 난류의 혼합류라고 볼 수 있다. 이 영역을 임계 영역(critical region) 혹은 완충역{buffer region)이라 한다.? 가능한 한 잉크와 물탱크의 두는 일정하게 유지해야 정확한 실험을 수행할 수 있다.ⓐ 유체의 유속은 다음 식으로 구한다.질량유속 (mass flow rate)-(1)체적유량 (volume flow rate)-(2)질량속도 (mass velocity)-(3)-(4)-(5)여기서= 체적유량= 유로의 단면적= 평균 유속= 관의 내경= 질량 유량= 질량 속도ⓑ 레이놀즈 수여기서= 동점도(kinematic viscosity)= 유체의 밀도층류와 난류에서 중심 유속과 관에서 평균속도는 다음과 같다.층류-(6)난류-(7)Re < 2100 인 경우는 층류, Re > 4000 인 경우는 난류, 2100 < Re < 4000 인 경우는 임계영역 혹은 완충역이라 하며, Re=2100 일 때의 유속을 임계속도라 한다. 또한 유체가 흘러갈 때 관의 중심부에서 경계층이 끝나는 흐름을 완전 발달된 흐름이라 하며, 관의 입구에서 완전 발달된 흐름이 될 때까지의 거리를 전이길이라 한다.* 실제 유체의 흐름? 층류(laminar flow): parallel streamline유체입자가 서로 층을 이루면서 직선으로 미끄러지게 되며 층과 층 사이에는 분자에 의한 운동량의 변화만 있음? 난류(turbulent flow): (random moving process)유체입자가 심한 불규칙운동을 하면서 상호간에 격렬한 운동량의 교환을 하면 흐르는상태참고로, 1888년 영국의 Osborne Reynolds의 실험에 의해 증명- Reynolds는 그의 실험에서 착색액의 주입으로 층류와 난류를 판별함- Reynolds number에 의해 정량적으로 판별할 수 있는 방법 제시*층류와 난류의 모형-층류 (laminar flow): 유선이 나란한 흐름 Re < 2100-난류(turbulent flow):유선이 마음대로 운동하는 흐름 Re > 4000-전이영역: 층류와 난류의 중간 단계 유선이 나란하지도 심하게 운동하지도 않는 흐름2000
무기화학REPORT파인 세라믹스[마법의 도자기]의 과학적 탐구제출일학 번이 름제 1장 새로운 석기시대의 개막? 세라믹스의 두 조상, 두 줄기의 족보⑴ 조상은 어느 쪽인가?① 인류가 처음 석기라는 연장으로 석기시대라는 문명을 막을 열었다. 연장으로는 다른 소재를 가공하는 기능을 갖는 ‘석기’와 용기로서의 기능을 갖는 ‘토기’가 있는데, 토기나 석기 둘 다 그 소재가 비금속 무기질 고체이다.② 석기는 흑요석(불을 사용하여 만들어짐)으로 만들어졌기에 엄밀히 말하면 세라믹스라 아니다. 그럼에도 세라믹스의 성질의 조상은 석기인데, 이는 기술적으로 보면 토기가 세라믹스이지만 완성된 것이 단단하지 못해 돌이 되지 못했기 때문이다.③ 토기는 성형의 용이성이 뛰어나지만 깨지는 등 단단함이 떨어졌고, 석기인 돌은 단단하지만 성형하는 게 어려웠다. 이런 서로 상반된 결점들을 보완하고자 수많은 시도와 고민을 반복했고 그 결과 굽는 온도를 높여 토기의 열이 빠져나가지 못하게 해야 한다는 점과 유약을 칠해야 한다는 점을 알아냈다.⑵ 재료는 순환한다.① 금속은 돌보다 성형의 용이성이 뛰어나며, 석기의 ‘가공’, 토기의 ‘용기’의 기능 둘 다를 갖춘 소재로 대표적으로는 철이 있는데, 녹이 스는 등 많은 결점이 있었다.② 플라스틱은 성형이 더욱 쉽고 잘되는 가소성을 갖은 소재이나, 흠이 잘 생기고 불에 타는 등의 결점이 있어서 단단하게 만들고자 하는 상당한 노력이 있었다.③ 전체적으로 재료 개발은 성형을 더 용이하게 하고자 노력하면서 석기→철기→플라스틱 순으로 개발되어 왔다.⑶ 모순되는 요구가 기술을 낳는다.‘성형의 용이성’과 ‘품질향상’이라는 모순되는 성향을 극복하여 타지 않고, 녹이 슬지 않으며, 단단하고 성형이 용이한 현대의 세라믹스를 개발해냈다.? 파인 세라믹스의 탄생⑴ 원료의 3요소① 토기→ 도기→ 자기로 진보되어온 기술은 크게 규석, 점토, 장석 등의 세 가지 소재로 돼있다.② 규석은 세라믹스의 특징을 모두 갖춘 물질로서 골격이 되고, 점토는 ‘건조해지면 가루가 되는 규석’에 성 얻어져야 하며, 정밀 가공이 가능해야 하고, 절연성이 우수해야 하며, 전류에 의한 발열을 신속하게 제거하기 위한 전열성을 충분히 가져야 하고, 회로와의 적성 또한 잘 맞아야 한다.③ 기판의 재료로는 대표적으로 플라스틱과 알루미나가 있는데, 플라스틱은 전열성이 나빴다. 알루미나는 전열성이 에폭시(우수한 플라스틱)의 30배로 매우 뛰어나며 원료가 안정적으로 공급된다.④ 앞으로의 무궁무진한 발전이 기대되는 기판의 재료로는 단결정 알루미나, 탄화수소, 다이아몬드 등이 있다.ⓐ 흔히 사파이어라고 불리는 단결정 알루미나는 소결체가 매우 치밀하나 입계가 존재해서 이 경계에서 열전도가 저해되는데, 입계를 없애려면 단결정화해야 한다.ⓑ 탄화수소는 단단하여 정밀가공을 할 수 있고 전열성이 매우 뛰어나며, 열팽창률이 실리콘에 가깝다는 이점이 있다.ⓒ 기판재료로는 최고인 다이아몬드는 절연성이 뛰어나며, 궁극적인 소재라 할 수 있다.< IC 기판 >⑶ 콘덴서 재료에 이르는 길① 유전성을 이용하면 전기를 축전할 수 있는데, 이 성질이 콘덴서로서 사용된다.② 대량의 전기를 축적하려면 비유전율이 큰 물질을 선택하고, 총면적을 크게 하며, 두께를 철저히 작게 하는 등 세 가지 조건을 만족시켜야 한다.③ 콘덴서로서 사용된 물질로는 티타니아, 티탄산바륨, 세라믹스가 있는데, 그 중 최초로 사용된 티타니아는 절연성이 뛰어나고 유전율이 크다. 이러한 티타니아를 탄산바륨과 반응시키고 소결시켜 만든 것이 티탄산바륨이고, 전자재료계의 유망한 스타인 세라믹스는 비유전율과 그것의 온도계수, 절연특성, 소결특성까지 거의 마음대로 제어가능하다.⑷ 분극방향을 가지런히 정돈하여 단결정을 닮게 한다.① 강유전체(대표적으로는 티탄산바륨)는 결정 속에서 (+)전하의 중심과 (-)전하의 중심이 일치하지 않고 어긋나 있다.② 전압을 가하지 않아도 분극이 생기고 있는 것을 자발분극이라 하는데, 물체의 양 끝에 강한 전압을 가함으로써 분극의 방향을 반대로 바꿀 수 있다.③ 강유전성은 자발분극이 있고 분극의 방향을 반대로 바크로메이트는 800℃ 이상이 되면 온도에 따른 저항변화가 거의 없어져서 온도제어가 쉬운 저항발열체를 만들 수 있다. 공기 중에서의 안정성이 좋고, 최고 1800℃까지 사용할 수 있다.⑶ 우연히 낳은 [온도를 자동제어 하는 물질]① 반도성 티탄산바륨 세라믹스는 저온에서 저항이 작다가 고온이 될수록 어느 특정 온도를 기점으로 급격하게 저항이 커진다는 특성을 갖고 있다.② 이 소자에 전기를 통해 두면 저온에서 보통의 발열체로서 작용하다가, 급격히 저항이 커지는 특정온도를 넘어서면 저항이 너무 커져서 전류가 거의 흐르지 않게 된다. 즉, 온도가 더 이상 상승하지 않고 그로인해, 온도를 자동으로 제어하게 된다.③ 티탄산바륨이 반도체가 된다는 것을 안 것은 우연이었다. 콘덴서재료의 소재 개발에만 목매지 않고 새로운 발견에 호기심을 갖고 대했기 때문이다. 앞으로 세라믹스 연구를 하는 과정 중에 상식이 통하지 않는 뜻밖의 새로움을 많이 발견하게 될 수 있는데, 그 때마다 이를 내 버려두기보단 이들을 실용화와 연결시킬 줄 아는 한층 소프트한 머리를 개척해둬야 한다.⑷ 많은 구멍이 안전을 감시하는 [가스센서]① 산화주석은 세라믹스의 특질인 내열성과 내식성이 뛰어난 물질로써 치밀하게 소결하기 힘들고, 구멍투성이의 상태(다공질체)가 반영구적으로 유지되는 n형 반도체의 일종이다.② 가스센서에 사용되는 다공질 산화주석은 저항이 높아지면서 전자를 필요로 하여 흡착산소와 결합하고 그로 인해 전기가 잘 안통해지다가, 가연성 가스가 흡착돼있던 산소와 반응하여 전기를 통하는 상태로 되돌아온다.③ 현재 산화주석 이외에도 많은 n형 반도체의 다공질 세라믹스가 가스센서로서 연구되고 있다.⑸ P형은 더미스터에 적합① 더스미터(Thermal Sensitive Resister)로 사용되는 p형 반도체로는 철, 니켈, 코발트 등 천이금속의 산화물이 있다.② 온도센서로 주로 쓰이는 반도성 티탄살바륨계의 세라믹스는 저온에서 전기를 통하면 전류가 흘러 온도가 상승하고 고저항이 되는 점을 이용하여 타임스위치로도 장)에서도 자기화(자화)하며, 자화의 벡터방향을 반대로 변환(반전)하는 데에도 아주 소량의 반대되는 자장만을 가하면 된다. 소프트 페라이트는 주위 상황에 민감한 임기응변의 달인으로 묘사할 수 있으며, 이는 고주파 변압기의 자심 등으로 쓰인다.ⓑ 하드 페라이트는 강한 자장을 가해야만 자화하며, 자화의 방향을 반전시키는 데에도 아주 세게 역방향의 자장을 가해야 한다. 한번 자화시키면 거의 영구적으로 강한 자화가 잔류한다. 하드 페라이트는 지조가 굳은 선비로 묘사할 수 있다.⑵ 거품에 기억을 남긴다.① 투광성자성결정막은 국부적으로 자화방향이 반전되어 있으면 거기가 거품처럼 보이는데 이를 거품자구(bubble domain)라 한다.② 수 마이크론의 거품자구의 움직임이 하나의 연산결과를 나타낸다. 즉 거품자구가 어느 위치에 존재하는지가 연산결과의 기록이 되는 것이다.③ 하드 페라이트는 금속재료에 비해 가볍기 때문에 텔레비전의 브라운관, 휴대용 장기세트, 냉장고의 기밀셔터 등으로 쓰인다.④ 전자기파를 흡수 하는 페라이트가 있는데, 빌딩 벽에 이 페라이트를 칠하면, 벽으로부터의 전파의 반사로 혼신이 일어나지 않는다. 또한 페라이트는 레이더에 포착되지 않는 전투기용 소재로도 쓰인다.2. 광학 재료로서의 세라믹스⑴ 광량을 조절하는 유리① 유리는 단단하고 투광성이 있는 재료이다.② 대표적으로 판유리를 만들 때 쓰이는 소오다석회 유리는 현재 개발단계에 있는 유기유리와 달리 투광성, 균질성, 가공, 성형성, 내구성 등이 잘 균형을 이룬 우수한 재료이다.③ 판유리로는 감당할 수 없는 많은 영역이 생기면서 새로운 성능을 가진 좋은 광학재료가 연구되었다.ⓐ 산화티탄, 산화주석은 단단하고 약품에도 잘 견디며 적외선을 반사한다. 이 재료들을 유리창에 코팅하면 여름엔 더욱 시원하게 겨울엔 더욱 따뜻하게 해주어 빌딩 냉난방효율을 높여준다.ⓑ 페라이트, 금은 적외선을 반사하고 가시광선도 소량 흡수하기 때문에 실내로 너무 많은 광선을 받아들이고 싶지 않을 때 이 재료로 유리창을 코팅한다.ⓒ 그 외충치가 되지 않는 제3의 이① 바이오세라믹스란 생명, 생물 즉 '살아있음'에 관련된 세라믹스로, 열에 강하고, 약품에 침식되지 않고, 흠이 거의 나지 않는 특성을 갖지 않으면 안 된다.② '제3의 이'란 인공치근과 인공뼈 등을 말한다. 인체에서 단단하고 강한 기능을 갖는 인공치근과 인공뼈, 효소에 관련된 다공질 세라믹스 등은 바이오세라믹스와 밀접한 관련이 있다. 인공뼈 또는 인공치근은 생체에 잘 적응해야 하고, 자극성과 독성이 없어야 하며, 부식하지도 붕괴하지도 않아야 하며, 힘을 조금 가하더라도 파손되지 않아야 한다.영구치에 있는 제 3의 이 ⑵ 생체와 기술의 공동제작① 아파타이트(인산칼슘)는 생체 내에서 이나 뼈를 형성하고 있는 화학성분으로, 인공적으로 아파타이트의 소결체를 만들어도 몸에서 자연적으로 만들어지는 이나 뼈에 비하면 매우 약하다. 허나 아파타이트가 생체와 잘 어울리기 때문에 점점 더 강도가 큰 뼈를 만드는데 성공하고 있다.② 뼈나 이가 튼튼한 것은 이러한 아파타이트와 콜라겐이 협력하고 있기 때문이다. 이는 노화할수록 콜라겐이 경화하며 약하게 된다.③ 인공뼈로서는 금속이나 플라스틱이 주로 사용되는데 금속에는 중금속이온이, 플라스틱에는 유기물이 녹아나와 불안정하므로 독성이 없는 세라믹스를 개발하는데 주력해야 한다.⑶ 세라믹스 맥주는 맛이 있다.① 의료측정용 센서에도 세라믹스가 사용되고 있다. 초전성 세라믹스로 몸의 온도 분포를 측정하고, 압전성 세라믹스를 사용해 초음파로 종양, 결혈 등을 진단하는 등 세라믹스와 치료와의 관계는 더욱 깊어지고 있다. 의료분야에서 세라믹스의 활약이 기대된다.② 맥주도 다공질 세라믹스 필터로 걸러내면 더 맛있다는 말이 있는 것처럼, 세라믹스는 의료뿐만 아니고 양조나 발효 같은 식품분야에도 진출하고 있다.③ 인공신장이나 인공심장에서 혈액 속의 노폐물만을 흡착하여 혈액을 깨끗이 하는 데도 이용되길 기대해본다.제 4 장 특성을 낳는 세라믹스의 구조1. 원자와 이온의 충전상태⑴ 구조가 의미 하는 것① 물질의 물성이나 기능은 그시켰다.
레이놀즈수 실험레포트
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![파인 세라믹스 요약 - [마법의 도자기]의 과학적 탐구 A+](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2008/10/17/data6601166-0001.jpg)
