[일반물리학 실험] 고체의 비열 측정

고체의 비열 측정

실험목적

열량계를 사용하여 혼합방법에 의한 고체의 비열을 측정한다.

실험원리

질량 \(m\)인 물체에 \(\Delta Q\)의 열량을 가하여 온도가 \(\Delta T\)만큼 변화하였다면 그 물체의 비열 \(c\)는

$$c=\frac{\Delta Q}{m\Delta T}\text{cal/g}^{\circ}\text{C}$$

이다. 온도가 다른 두 물체를 열적으로 접촉시키면 고온의 물체로부터 저온의 물체로 열이 이동한다. 그리고 충분한 시간이 지난 후에 두 물체의 온도가 같게 되어 열적 평형상태에 있게 된다. 이때 두 물체가 외부와 열적으로 차단된 열량계 안에 있다면 고온의 물체가 잃은 열량은 저온의 물체가 얻은 열량과 같게 된다.

온도가 \(t_{1}\)로 가열된 물체(질량 \(m_{1}\), 비열 \(c_{1}\))를 온도가 \(t_{2}\)인 물(질량 \(m_{2}\), 비열 \(c_{2}\))이 담겨져 있는 열량계 용기(질량 \(m_{3}\), 비열 \(c_{3}\))에 넣은 후 열적 평형상태에 도달하여 온도가 \(t\)가 되었다면, 열량의 흐름은

$$c_{1}m_{1}(t_{1}-t)=c_{2}m_{2}(t-t_{2})+c_{3}m_{3}(t-t_{2})=(c_{2}m_{2}+c_{3}m_{3})(t-t_{2})$$

이며, 고온의 물체의 비열 \(c_{1}\)은

$$c_{1}=\frac{(c_{2}m_{2}+c_{3}m_{3})(t-t_{2})}{m_{1}(t_{1}-t)}\text{cal/g}^{\circ}\text{C}$$

이 된다.

실험기구 및 장치

열량계, 시료가열기, 증기발생기, 온도계, 시료(황동, 철, 알루미늄 등), 핀셋

실험방법

(1) 측정하려고 하는 시료의 질량과 열량계 안에 용기만의 질량, 그리고 용기에 담긴 물(시료가 완전히 잠길 정도)만의 질량을 각각 측정한다.

(2) 시료를 실에 매달아 시료가열기의 중앙 부근에 두고(중탕), 온도가 \(90^{\circ}\text{C}\)정도가 되게 한다. 이때 시료의 온도를 측정하는 온도계의 위치는 시료 근처에 오도록 한다.

(3) 열량계에 달려 있는 온도계로 열량계 안의 물의 온도를 측정한다.

(4) 시료를 충분히 가열한 후 시료의 최종온도를 측정한 후, 시료를 미리 준비한 열량계의 용기 속의 물에 넣는다.

(5) 열량계의 뚜껑을 닫고 교반기로 물을 저어 온도변화를 측정한다.

(6) 시료가 담겨진 용기 안의 온도는 점차 증가하나 시간이 경과하면 다시 감소하므로 온도의 최댓값으로 최종온도(\(t\))를 정한다.

(7) 구하려고 하는 시료의 비열은 식 \(\displaystyle c_{1}=\frac{(c_{2}m_{2}+c_{3}m_{3})(t-t_{2})}{m_{1}(t_{1}-t)}\)을 이용하여 구한다.

(8) 열량계 안의 온도계와 교반기로 전달되는 열량은 무시한다.

(9) 측정장치를 식힌 후 다른 종류의 시료를 사용하여 (1)~(7)의 절차에 의해 반복 측정한다.

*(8)에서 "열량계 안의 온도계와 교반기로 전달되는 열량은 무시한다"라고 적혀있는데 실제로 이 현상이 일어나 오차의 원인이 된다.

참고자료:

이 공대생을 위한 일반물리학실험, 경기대학교 일반물리학실험 교재편찬위원회, 북스힐

http://contents.kocw.net/KOCW/document/2015/chosun/jeongjin/4.pdf

http://gplab.phys.pusan.ac.kr/attaches/%EA%B3%A0%EC%B2%B4%EC%9D%98%20%EB%B9%84%EC%97%B4(%EC%88%98%EC%A0%95).pdf