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1. 탐구주제
액체는 종류에 따라 식는 속도가 다를까?
2. 탐구하게 된 동기
어느 날 집에서 코코아가 마시고 싶어서 물을 끓이고 있는데 아빠가 보시고 커피를 마시고 싶다고 하셨다. 물이 김을 뿜으며 펄펄 끓자 코코아도 타고 커피도 준비했다. 코코아 향을 맡으니 빨리 먹고 싶었는데 너무 뜨거워서 마실 수가 없어 식을 때까지 기다리고 있었다. 아빠도 뜨거우셨는지 조금 기다리다가 마시기 시작하셨다. ‘맛있는 코코아는 빨리 식구 쓴 한약은 천천히 식으면 좋을텐데...‘ 이런 생각을 하다가 갑자기 커피, 코코아, 녹차 등의 종류에 따라 식는 속도가 다를지 궁금해졌다.
3. 탐구를 통해 알아보고 싶은 점
액체의 종류에 따라 식는 속도가 다를까?
식는 속도가 다르다면 그 이유는 무엇일까?
식는 속도에 영향을 주는 요인에는 무엇이 있을까?
4. 준비물
주전자, 컵이나 비커, 물, 커피, 녹차, 미숫가루, 코코아, 설탕, 온도계 , 디지털카메라, 필기도구
5. 실험 방법 및 절차
① 각 컵에 같은 양의 녹차, 설탕, 커피, 미숫가루, 코코아를 넣는다.
② 주전자에 물을 끓인 후 컵 5개에 똑같은 양을 붓는다.
③ 온도계를 컵에 넣고 얼른 저어 처음 온도를 측정한다.
④ 시간별로 온도를 측정한다.
⑤ 물과 설탕 커피로 물의 양을 더 많이 해서 위와 똑같은 방법으로 측정한다.
6. 탐구 기간
2004년 8월 5일~ 2004년 8월 6일
(준비물은 미리 준비해 놓고 실험후 보고서 작성함)
7. 탐구 결과 예상
물은 아무것도 들어 있지 않지만 다른 것은 설탕 커피 등을 넣었으므로 물보다 무엇인가를 섞은 액체가 더 빠른 속도로 식을 것 같다.
8. 실험과정(사진)
실험 전
실험 중
각각 용액들
두 번째 실험중
9. 실험결과
분
녹차
온도차
설탕
온도차
커피
온도차
코코아
온도차
미숫
가루
온도차
0…(생략)
76
75
75
73
72
5
60
-16
60
-15
60
-15
58
-15
61
-11
10
53
-7
53
-7
53
-7
52
-6
55
-6
15
46
-7
46
-7
46
-7
45
-7
49
-6
20
40
-6
40
-6
39
-7
39
-6
43
-6
25
38
-2
38
-2
37
-2
37
-2
40
-3
30
35
-3
35
-3
35
-2
34
-3
38
-2
35
34
-1
34
-1
34
-1
34
-0
36
-2
40
32
-2
33
-1
32
-2
32
-2
34
-2
실험 1
물
설탕
커피
0
87
78
81
5
75
70
68
15
65
64
61
20
56
57
54
25
51
52
50
30
48
49
47
35
44
45
44
40
42
43
42
45
40
41
40
실험 2
실험 2 그래프
10. 탐구결과
첫 번째 실험은 우리가 자주 마시는 차 종류로 실험을 하였다. 녹차, 커피, 코코아, 미숫가루, 설탕으로 실험을 하였는데 뜨거운 물을 동시에 붓지 않고 컵이 놓인 순서대로 붓고 물에 섞은 가루들도 달라서인지 처음의 온도는 달랐다. 1～2도씩 차이는 조금 나지만 식는 속도는 거의 같았고 액체가 식었을 때 온도는 현재 실내 온도까지이므로 시간이 지날수록 식는 정도는 느려지는걸 알 수 있었다.
혹시 물에 넣은 가루들의 양이 적어 차이가 안 나는 것인지 궁금하여 컵에 더 많은 양의 설탕과 커피와 물을 넣고 그냥 물과 비교해 보았다. 두 번째 실험에서도 마찬가지로 시간이 갈수록 온도의 변화는 줄어들고 처음 20분까지 급격히 온도가 내려갔다. 15분까지의 온도변화를 그래프로 보면 물이 가장 빠른 속도로 식고 그 다음 커피 그 다음은 설탕물이었다. 이유를 알아보기 위해 과학관련 사이트와 인터넷 사이트를 찾아보았다.
11. 그 외 인터넷을 통해 알게된 점
※ 열과 액체의 온도
물체에 열을 가하면 온도가 올라가고, 열을 빼앗으면 온도가 내려간다.
이 때 온도의 변화량은 열을 가하거나 빼앗은 열량에 비례한다.
※ 비 열
어떤 물질 1㎏의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 에너지를 말함.
※ 열 용량
어떤 물체의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 에너지를 말한다.
※ 열량
고온의 물체에서 저온의 물체로 이동하는 열의 양을 말한다.
※ 열량의 보존
온도가 다른 두 물체가 접촉하여 열평형을 이루 때 한 물체가 잃은 열량은 다른 물체가 얻은 열량과 같다.
★ 물은 자연 상에서 존재하는 물질 중에서 비열이 엄청나게 큰 편이다!!
물은 자연상에 존재하는 물질 증에서 비열이 엄청나게 큰 편입니다. 비열이 크다는 것은 온도를 변화시키는데 필요한 에너지가 많이 필요하다는 것이고, 그 말은 온도가 잘 변하지 않는다는 말입니다. 물의 온도가 잘 변하지 않는다는 것이 어떤 영향을 미치는지 말씀드리면,
우선 지구의 기온이 크게 변화하는 것을 막아줍니다
만약 지구 표면의 2/3이 바다가 아니라 전부 육지로 이루어져 있다면 지구의 일교차는 지금과는 비교가 되지 않을 것입니다.
예를 들어 모래의 비열은 물의 1/5정도 되는데, 물대신 모래로 지구표면이 덮여있다면 일교차가 지금의 4배정도가 나게 될 것입니다.
만약 지구가 전부 모래로 이루어져 있다면 하루 일교차가 백도에 육박하게 될 것이고, 그렇게 되면 생물이 살기 어려운 상황이 될 것입니다. 또 물의 비열이 유난히 크기 때문에 생기는 현상은 육지와의 기온 차이가 많이 나기 때문에 바람이 불게 된다는 것입니다. 물론 물이 아니더라도 지구표면 마다 햇빛을 받는 양이 달라서 그 기온차로 인하여 바람이 불기는 하겠지만, 그것은 위도에 의한 차이 때문에 생기는 바람이고, 여기서 말하는 것은 육풍과 해풍을 말하는 것입니다.
물의 비열이 생체에 미치는 영향은 체온이 쉽게 변하는 것을 막아준다는 것입니다. 동물 같은 경우 조직을 구성하고 있는 물질이 대부분 단백질이고 몸의 기능을 유지 관리시키는 효소나 호르몬 등도 단백질입니다. 단백질은 열에 약하다는 특징을 가지고 있습니다.
특히 효소나 호르몬 같은 것들은 온도가 2~3도만 변해도 작용을 하지 못해서 몸에 이상을 초래하기도 합니다. 우리의 체온이 2~3도만 변해도 몸이 매우 안 좋아지는 것을 통해 우리의 체온이 유지되는 것이 얼마나 중요한가 알 수 있습니다.
우리의 몸을 구성하고 있는 물질 가운데 70%가 물인데, 물의 유난히 큰 비열이 아니라면 우리 몸의 체온이 급변하게 되고, 그렇게 되면 단백질은 금방 변형되어 우리는 살 수 없을 것입니다.
이 정도가 물의 유별난 특성인 비열이 기후나 환경 생체에 미치는 영향입니다
그리고 물의 특성 중 용해성이 뛰어나다는 성질도 있는데, 이것으로 인해 생체 내에서 영양소나 노폐물 같은 것을 운반하기 좋다는 특성도 가지고 있습니다.
※ 밀 도
단위부피에 대한 질량. 즉 물체의 질량을 부피로 나눈 것이다.
같은 물질에서 비교하면, 보통 고체는 밀도가 크고, 액체는 고체밀도에 가깝지만 약간 작으며, 기체는 가장 작다. 기체의 밀도는 거의 압력에 비례하고 절대온도에 반비례하여 변화한다. 같은 물질의 고체?액체?기체(예: 얼음?물?수증기) 밀도의 비는 그 속에 분자가 얼마나 빽빽하게 쌓여 있는가의 정도를 나타낸다.
혼동하기 쉬운 개념으로서의 비중은 어떤 물질의 질량과 그와 같은 부피의 표준물질 질량의 비이며 무명수이다. 넓은 의미로는 질량밀도 외에 각종 물리량의 단위부피당?단위넓이당?단위길이당의 값도 포함하며, 이를 각각 부피밀도?넓이밀도(면밀도)?선밀도라 한다. 예를 들어 분자의 수밀도는 단위부피당 분자수이며, 철사의 선밀도는 단위길이당 질량이다. ＜인구밀도＞ 같은 용어가 쓰인다.
★ 물의 밀도를 높이려면?
물의 밀도를 강하게 하기 위해서는 단위 부피당 물의 질량을 크게 하면 됩니다.
일단은 물에 소금과 같은 성분을 섞으면 물의 밀도는 커집니다.
또한 각종 미네랄 같은 금속성 성분을 물에 녹이면 물의 밀도가 높아지지요.
일반적으로 물과 다른 성분들이 섞이면 물의 분자사이로 이런 성분들의 분자가 들어가서 단위부피당 물의 질량이 커지게 되는 것이죠.
12. 탐구를 통해 알게된 점
물은 우리 주변의 물질 중에서 비열이 큰 것 중의 하나라고 한다. 비열이 크면 물질의 온도 변화가 느리다. 이 비열차로 인해 육풍과 해풍이 분다는 것은 배워서 알고 있을 것이다. 처음에 이것만 보고 물이 비열이 크다면 물이 제일 늦게 식어야 하는데 실험에선 큰 폭으로 온도가 내려간 걸 의아해 하고 있었다.
그런데 더 자료를 조사하던 중 밀도에 관해 알게 되었다. 내가 실험하면서 물에 설탕, 녹차, 코코아가루, 커피, 미숫가루를 섞었다. 순수한 물에 다른 성분이 들어가면서 그 물의 밀도가 높아져서 그냥 물보다 더 늦은 속도로 식었다는 걸 알았다. 물질의 밀도가 높으면 그 안에 있는 분자간의 응집력이 있기 때문에 이번 실험에서처럼 식는 속도도 느리고, 끓는점도 높다고 한다.
예전에 엄마가 우유를 뜨겁게 데워 주신 적이 있는데 옆에 있던 물보다 더 오래 뜨거웠던 기억이 떠올랐다. 또 물이 식는 속도는 열량의 보존에 의해 실내 온도에 맞춰져 나중엔 실내온도와 똑같이 열평형을 이루게 되었다는 것도 확인 할 수 있었다.
13. 탐구를 마치며
솔직히 이번 실험에서 물과 다른 액체와의 차이만 조금 났을 뿐 코코아, 녹차, 설탕 등간의 차이는 발견할 수 없었다. 아마도 내가 정확하게 한다고는 했지만 물의 양이나 끓은 물을 붓는 순서나 시간, 가루물질들의 정확한 양 등을 오차없이 할 수 없었기 때문인 것 같다. 하지만 우리가 마시는 다른 차보다 물이 더 빠른 속도로 식는다는 것을 알았고, 물과 액체의 비열과 열량과 밀도에 대해서도 더 자세히 알 수 있었다. 물의 비열이 높아 너무 다행이다. 나중에 기회가 된다면 물질의 끓는점도 조사해 보고 더 자세하고 정확하게 실험 해 보고싶다.
14. 참고 자료
과학교과서 및 네이버 블로그 및 지식인
http://kin.naver.com/browse/db_detail.php?d1id=11&dir_id=110204&docid=272503
http://kin.naver.com/browse/db_detail.php?d1id=11&dir_id=110202&docid=166973
http://kin.naver.com/browse/db_detail.php?d1id=8&dir_id=80603&docid=96627
http://kin.naver.com/browse/db_detail.php?d1id=13&dir_id=130406&docid=70934
http://kin.naver.com/browse/db_detail.php?d1id=11&dir_id=110204&docid=283769
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