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고체의 비열
해안지방에서는 맑은 날 해륙풍이 분다. 낮과 밤에 바람의 방향이 거의 반대가 되는데, 낮에는 해상에서 육지를 향하여 해풍이 불고, 밤에는 육지에서 해상을 향하여 육풍이 분다. 맑은 날 일출 후 1～2시간은 거의 바람이 불지 않다가 태양의 고도가 높아짐에 따라 해상 쪽에서 바람이 불기 시작하여 오후 1～3시에 가장 강한 바람이 분다. 일몰 후 일시적으로 무풍 상태가 되었다가 다시 육상에서 해상을 향하여 바람이 불기 시작하여 이튿날 아침까지 계속된다. 해풍은 일반적으로 육풍보다 강하여 풍속은 보통 5～6 m/s가 되나 해안의 지형에 따라서는 7～8 m/s까지 부는 경우가 있고 내륙으로 들어감에 따라서 약해진다. 반면에 육풍은 2～3 m/s밖에 되지 않는다.
해륙풍의 원인은 맑은 날은 햇빛이 강하여 해면보다 육지 쪽이 고온이 되는데, 이것은 해상보다 육지의 비열이 작고 해상에는 어느 정도의 깊이까지 열의 전도 및 대류가 일어나기 때문에 해면이 육지에 비하여 저온이 된다. 육상의 기온이 올라가면 육상의 공기는 팽창하여 상층의 등압면은 육상에서 해상을 향하여 기울어진다. 이러한 결과로 상층에는 육상에서 해상 쪽으로 공기의 흐름이 생기고 그 공기는 해상 쪽으로 운반되어 해면상의 기압이 올라가고 육상에는 기압이 내려간다. 따라서 하층에는 기압 차에 의한 기압경도가 생겨 해상에서 육상을 향하여 해풍이 분다. 밤에는 야간 복사?냉각 작용으로 육지가 해상보다 빨리 냉각되어 육상공기가 해상공기보다 수축되므로, 야간의 기압경도가 낮과 반대방향이 되어, 육상에서 해상을 향하여 육풍이 분다. 장해물이 없는 해상에서는 공기의 유동이 쉽고, 해상과 육상의 기온 차가 대체로 낮에 크기 때문에 해풍은 강해지고 육풍은 지형이나 지면마찰의 영향을 받아 그렇게 강하지 못하다. 낮의 상층에는 육지에서 해상을 향하여 공기의 흐름이 있고, 하층에는 해풍이 불어 일종의 순환계를 형성한다.
2. 탐구 목적
열량 보존의 원리를 이해하고 고체의 비열을 측정할 수 있다.
【준…(생략)
비물】알코올 램프, 비커(300mL), 열량계, 온도계, 삼발이, 석면 그물, 스탠드, 실, 눈금 실린더, 구리 조각, 알루미늄 조각, 철 조각, 성냥
3. 탐구 과정
(1) 시료(알루미늄 조각)의 질량 m1(g)을 측정한 다음, 그림과 같이 실에 묶어 비커의 물 속에 매단다.
※ 유의점 : 시료와 온도계는 비커의 물 속에 완전히 잠기도록 하되, 비커의 바닥에는 닿지 않도록 한다.
(2) 열량계에 널은 물의 질량 m2(g)를 측정한 후, 열량계에 넣고 물의 온도 t2(℃)를 측정한다.
(3) 알코올램프로 가열하여 물이 끓을 때 물의 온도 t1(℃)를 측정한다. 이 때 시료의 온도는 얼마이며, 어떻게 알 수 있는가 ?
☞ 도체인 시료(알루미늄 등)는 3분 정도 같은 온도에 있으면 내부까지도 온도가 같아진다. 물이 끓으면 더 이상은 온도가 안 올라가므로 끓는 물 과 시료의 온도는 같다고 할 수 있다.
(4) 시료는 재빨리 꺼내어 열량계에 넣고 최종 물의 온도 T1(℃)를 측정한다. 열량계 속의 온도계의 눈금이 더 이상 올라가지 않는 최고점의 물의 온도를 측정한다.
(5) 알루미늄 대신 시료를 철과 구리 조각으로 바꾸어서 위의 실험을 반복한다. 시료의 온도가 낮아지고 찬물의 온도가 높아지는 까닭은 무엇인가 ?
☞ 시료의 열 에너지가 찬물로 이동했기 때문이다.
(6) 각각의 시료가 잃은 열량과 그 때의 물이 얻은 열량을 구해 보자.
☞ 단, 알루미늄, 철, 구리의 비열을 각각 C1, C2, C3라고 하자
시료
시료가 잃은열량
물이 얻은 열량
알루미늄
50.6×C1×(98.8-26.2)
1×0.25× (26.2-23.2)
철
60.8×C2×(98.8-25.0)
1×0.25× (25.0-23.2)
구리
40.2×C3×(98.8-24.2)
1×0.25× (24.2-23.2)
4. 탐구 정리
(1) 물이 얻은 열량을 이용하여 각 시료의 비열을 구하여 비교하여 보자.
☞ 50.6×C1×(98.8-26.2) = 1×0.25×(26.2-23.2)
C1 = 0.204Kcal/g℃
☞ 60.8×C2×(98.8-25.0) = 1×0.25×(25.0-23.2)
C2 = 0.100Kcal/g℃
☞ 40.2×C2×(98.8-24.2) = 1×0.25×(24.2-23.2)
C3 = 0.083Kcal/g℃
(2) 사용한 시료 중에서 1㎏을 1℃ 높이는 데 필요한 열량이 가장 큰 금속은 어느 것인가 ?
☞ 알루미늄
(3) 시료를 가열하여 온도가 모두 같도록 한 후, 공기 중에 두면 어느 금속이 가장 빨리 식는가 ?
☞ 구리
5. 연구 과제
(1) 고온의 물체와 저온의 물체가 접촉하여 열적 평형 상태에 이르면, 고온의 물체가 잃는 열량과 저온의 물체가 얻은 열량은 같다.
(2) 어떤 물질 1㎏을 1℃ 높이는데 필요한 열량을 비열이라고 한다. 비열의 단위는 ㎉/㎏℃ 또는 J/kgK를 사용한다.
절대온도(K)와 섭씨온도(℃)의 관계는 K = ℃ + 273이다.
(3) 같은 열량을 가할 때 비열이 클수록 온도 변화가 적고, 열을 빼앗길 때도 쉽게 식지 않는다.
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