敎育學碩士學位請求論文

초음파를 이용한 액체의 압축률

측정에 관한 연구

Measurement of liquid compressibility by

supersonic waves

2006 年 2 月

仁荷大學校 敎育大學院

化學敎育專攻

李 千 廷

敎育學碩士學位請求論文

초음파를 이용한 액체의 압축률

측정에 관한 연구

Measurement of liquid compressibility by

supersonic waves

2006 年 2 月

指導敎授 崔 英 植

이 論文을 碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 敎育大學院

化學敎育專攻

李 千 廷

本 論文을 李千廷의 碩士學位論文으로 認定함

2006 年 2 月

主審

副審

副審

i

목 차

표 목차 ························································································· ⅲ

그림 목차 ····················································································· ⅲ

논문 요약 ····················································································· ⅴ

Ⅰ. 서론 ························································································ 1

1. 연구의 필요성 ············································································· 1

2. 연구의 목적 ················································································· 2

Ⅱ. 이론적 배경 ·········································································· 4

1. 초음파 ····························································································· 4

2. 초음파 탐상의 원리 ····································································· 5

3. 음파의 속도 ··················································································· 5

4. 압축률과 체적탄성계수 ······························································· 6

5. 실험장치에 적용한 초음파 탐상 원리 ····································· 7

Ⅲ. 실험장치 설계 및 제작 ························································ 8

1. 실험장치의 구성 ··········································································· 8

2. 실험장치의 특징 ········································································· 11

3. 속도 계산 및 데이터 분석 방법 ············································· 12

4. 예비 실험을 통해 확인할 사항 ··············································· 13

ii

Ⅳ. 실험방법 및 분석 결과 ······················································ 15

1. 액체의 종류에 따른 압축률 ····················································· 15

2. 액체의 온도 변화에 따른 압축률 ··········································· 18

3. 액체의 농도 변화에 따른 압축률 ··········································· 24

4. 초음파 속도에 영향을 주는 액체의 물리적 성질 분석 ····· 27

Ⅴ. 결론 및 제언 ········································································ 34

1. 결론 ······························································································· 34

2. 제언 ······························································································· 35

참 고 문 헌 ················································································· 36

부 록 ····························································································· 37

Abstract ······················································································· 52

iii

표 목 차

[표 1] 액체의 종류에 따른 압축률 ················································ 16

[표 2] 에탄올의 온도변화에 따른 압축률 ···································· 18

[표 3] 크실렌의 온도변화에 따른 압축률 ···································· 15

[표 4] 물의 온도변화에 따른 압축률 ············································ 19

[표 5] 소금물의 농도변화에 따른 압축률 ···································· 21

[표 6] 다양한 액체의 초음파 속도와 물리적 성질 ···················· 23

그 림 목 차

[그림 1] 주파수의 범위에 따른 음파의 분류 ································ 4

[그림 2] 초음파 탐상의 원리 ···························································· 5

[그림 3] 실험장치에 적용한 초음파 탐상 원리 ···························· 7

[그림 4] 실험장치의 구조 ·································································· 8

[그림 5] 초음파 발생 및 수신부 ······················································ 9

[그림 6] 초음파 전달부 ···································································· 10

[그림 7] 온도센서 위치 및 온도조절장치 작동 회로 ················ 10

[그림 8] 초음파 출력부 ···································································· 11

[그림 9] 데이터 분석방법 ································································ 12

[그림 10] 측정할 시간 간격의 피크라인 범위 결정 ··················· 13

[그림 11] 액체의 종류에 따른 압축률 그래프 ····························· 17

[그림 12] 에탄올의 온도변화에 따른 속도 그래프 ····················· 20

iv

[그림 13] 에탄올의 온도변화에 따른 압축률 그래프 ················· 20

[그림 14] 크실렌의 온도변화에 따른 속도 그래프 ····················· 21

[그림 15] 크실렌의 온도변화에 따른 압축률 그래프 ················· 21

[그림 16] 물의 온도변화에 따른 속도 그래프 ····························· 22

[그림 17] 물의 온도변화에 따른 압축률 그래프 ························· 22

[그림 18] 소금물의 농도변화에 따른 속도 그래프 ····················· 25

[그림 19] 소금물의 농도변화에 따른 압축률 그래프 ················· 25

[그림 20] 속도와 (1/밀도) 그래프 ·················································· 28

[그림 21] 속도와 분자량 그래프 ····················································· 28

[그림 22] 속도와 (1/체팽창계수) 그래프 ······································ 29

[그림 23] 속도와 끓는점 그래프 ····················································· 29

[그림 24] 속도와 열전도도 그래프 ················································· 30

[그림 25] 속도와 비열 그래프 ························································· 30

[그림 26] 속도와 점도 그래프 ························································· 31

[그림 27] 속도와 (밀도×체팽창계수)-1 그래프 ····························· 31

[그림 28] 속도와 (끓는점/밀도) 그래프 ········································ 32

v

논 문 요 약

초음파를 이용한 액체의 압축률 측정에 관한 연구

이 천 정

인하대학교 교육대학원 화학전공

(지도교수 최 영 식)

열역학 및 물리화학 분야의 실험에서 액체분자운동 및 액체의

압축률에 관한 실험장치의 제작은 어려운 과제였다. 따라서 교육

현장에서는 간단한 모형을 이용한 정성적인 설명에만 많이 치우

쳐 있었다.

본 연구는 액체에서 초음파를 발생시켜 반사되어 되돌아오는

시간(속도)을 디지털오실로스코프로 측정할 수 있는 실험장치를

개발하고, 측정된 시간(속도)값을 이용하여 액체의 압축률을 계산

하고 초음파 속도에 영향을 주는 요인을 분석하여 실험장치의 효

율성과 정확성을 확인하였다.

제작한 실험장치는 펄스리시버의 전기적 신호를 초음파 탐촉자

가 초음파로 바꾸어 음향을 방출하고 방출된 초음파가 유리잔 내

부의 바닥면에 부딪혀 반사되어 돌아온 초음파를 음향 수신 센서

가 받아 전기신호의 파형을 노트북에 프로그램화 되어 있는 디지

털오실로스코프 표시부의 시간축(㎲)과 전압(V)으로 확인할 수

있도록 구성하였다. 그리고 초음파가 진행한 거리는 변하지 않아

- vi -

야 하므로 탐촉자의 위치를 미세하게 조절할 수 있도록 폐 현미

경의 조동․미동나사를 이용하여 탐촉자의 위치가 일정하게 유지

되도록 하였으며, 탐촉자 옆에 온도조절장치를 부착하여 온도표시

계에서 온도를 설정하면 현재온도와 설정온도를 비교하여 현재온

도값이 작은 만큼 자동으로 히터가 작동하여 짧은 시간내에 설정

온도에 도달하게 하여 정온실험이 가능하도록 하였다.

제작한 실험장치를 이용하여 액체의 종류, 온도, 농도에 따른 압

축률을 구할 수 있었고 이 값을 이용하여 초음파 속도에 영향을

주는 액체의 물리적 성질을 분석하였다.

이 연구에서 제작한 실험장치로 액체의 압축률을 시각적으로

확인할 수 있으며, 제작한 실험기구는 고등학교 및 대학교 화학실

험에서 학생들에게 액체의 성질 및 특성, 액체분자운동에 대한 이

해를 증진시킬 수 있다. 또한 온도에 따른 액체의 압축률 변화로

부터 물 분자의 특이성을 발견할 수 있었으며, 화학분야에서 중요

시하는 물의 특성연구에 새로운 동기와 과제를 부여하여 이에 대

한 체계적인 연구가 뒤따라야 할 것으로 생각된다.

- 1 -

Ⅰ . 서 론

1 . 연구의 필 요 성

과학은 자연을 관찰하고 경험한 사실을 바탕으로 자연현상을

이해하고 설명하는 탐구과정과 이 과정을 통하여 얻은 개념, 원

리, 법칙 등의 체계로 이루어져 있다. 또한 과학의 법칙과 개념은

절대적이거나 영구적인 것이 아니고, 계속 변화하는 것을 과학사

를 통해서 알 수 있다. 이와 같이 과학은 자연을 탐구하는 과정

(process)과 과학적 산물(product)인 원리, 개념, 법칙 등의 다양

성을 가지고 있다. 따라서 과학교육은 기본 개념의 체계적인 이

해와 함께 자연을 과학적으로 탐구하는 능력의 신장을 그 목표로

하고 있고, 더욱이 실험교육을 통하여 학습하였을 때 능력의 신장

은 더 커질 수 있다.⑴

현행 초 중등학교 과학교육 과정에서는 탐구 능력 신장이 주요

교육 목표의 하나로 부각되고 있으며 입시에서 사고력을 측정하

는 문제가 많이 출제되므로 과학 교육에서 실험과정과 방법은 매

우 중요하다. 그러나 실험 기자재의 부족, 실험을 위한 교사의 준

비 및 사후 정리시간 부족, 과밀학급 등의 이유로 실험을 통한 탐

구학습은 제대로 이루어지지 못하고 있다.⑵

과학 교육 현장에서 실험과정과 방법에 대한 학습이 결여되고

정교한 실험기구를 이용하려고 노력하지 않는다면, 실험학습을 실

시하는 경우에도 정성적 설명에 그치거나, 측정값과 참값 사이에

큰 오차가 발생하는 경우가 많아, 학생들은 실험이라는 것은 항상

사실과 다른 것이라고 생각하는 습관을 가지게 되기 쉬우며, 좀

- 2 -

더 정확한 실험을 하려는 자세가 없고, 과학법칙을 추상적으로 이

해하려는 경향이 나타나고 있다. 따라서 과학교육 현장에서 종래

에는 이론적이거나 정성적으로만 취급했던 내용을 정량적으로 측

정하는 학습활동에 중점을 두는 쪽으로 변화하는 것은 학생들의

개인적인 과학 태도 형성에 많은 도움이 될 것이다.⑶

특히, 화학분야에서는 액체를 다루는 학습내용이 매우 큰 비중

을 차지함에도 불구하고, 관측 및 측정에 따른 어려움으로 인하여

비교적 관측이 수월한 일부 실험만이 학교현장에서 이루어지고

있는 상황이며, 그 중에서도 액체분자의 물리적 성질 및 특성을

알아보는 실험은 제한이 많고, 이론값과 실험값이 일치하지 않는

경우가 많아 압축 및 팽창률, 탄성, 분자 간 인력, 응집력 등에 대

해서는 거의 실험이 이루어지지 않고 있다.

본 연구에서는 액체 속으로 초음파를 발생시켜 반사되어 되돌아

오는 시간(속도)을 디지털스코프에서 전기신호로 측정할 수 있는

실험장치를 개발하고, 측정된 시간(속도)값을 이용하여 액체의 압

축률을 계산하고, 초음파 속도에 영향을 주는 요인을 분석하였다.

이를 통해 학생들이 이론만으로 접근하고 있는 액체의 특성 이해도

증진과 이를 응용할 수 있는 능력을 배양하는 데 많은 도움을 주고

자 한다.

2. 연구의 목적

액체의 압축률 및 탄성, 분자 간 인력, 밀도 등의 차이에 따라

액체 중의 초음파의 속도가 달라지는데 본 연구에서는 이 속도의

- 3 -

차이를 비교․분석할 수 있는 정량적인 실험장치를 개발하여 액

체의 종류에 따라 시각적이며 정성적․정량적인 여러 가지 실험을 할

수 있는 방법을 제시한다.

가. 액체의 종류에 따른 압축률을 측정하고 압축률이 다른 원인

을 분석할 수 있도록 한다.

나. 액체의 온도변화에 따른 압축률의 변화를 측정하고 그 변화

원인을 분석할 수 있도록 한다.

다. 액체의 농도변화에 따른 압축률의 변화를 측정하고 그 변화

원인을 분석할 수 있도록 한다.

라. 초음파의 속도에 영향을 주는 액체의 물리적 요인을 비교․

분석할 수 있도록 한다.

- 4 -

Ⅱ . 이론 적 배 경

1 . 초음파 초음파(Supersonic wave)는 물질 내에 평형상태로 있던 원자 또는 분자의 진동으로 얻어지는 탄성파로 【그림 1】과 같이 주파수가 높은 20 kHz ~ 1GHz 범위의 음파를 말한다.

【그림 1】주파수의 범위에 따른 음파의 분류

20 Hz 20 kHz 1 GHz 1 000 GHz

A u d i b l e s o u n dSu b s o n i c Su p e r s o n i c Hy p e r s o n i c

초음파는 일반적으로 음파가 지닌 성질을 거의 다 갖고 있으나 매질이 다른 경계면에서 반사하는 빛(전자기파)의 성질도 일부 지니고 있는데 그 특성을 자세히 살펴보면, 첫째, 고체, 액체, 기체를 통하여 전달되는 종파로 진공 중에서는 전달되지 않으며, 둘째, 강도와 직진성이 강하여 물질 내부에서 전달이 잘되고, 셋째, 방향에 따른 감응 또는 감도의 변화, 즉, 지향성이 좋으며, 넷째, 진행거리가 비교적 길며, 매질이 다른 경계면이나 불연속면에서는 반사되며, 다섯째, 조건에 따라서 파형변이가 일어난다. 이러한 초음파만이 갖는 고유한 특성 때문에 수중탐지, 초음파탐상기, 초음파 가공, 의학 분야의 응용 등에 널리 사용되고 있는데, 본 연구에서는 초음파탐상의 원리를 이용하였다.

- 5 -

【그림 2】초음파 탐상의 원리

초음파 탐촉자

물체

오실로스코프

균열 및 불연속 초음파

2. 초음파 탐상의 원리 초음파 탐상 검사는 초음파(0.1～25MHz)를 물체 내부로 보내어 물체의 두께 측정 및 물체 내에 존재하는 불연속을 검출하는 방법이다. 【그림2】와 같이 물체의 두께를 측정하고자 할 때 초음파 빔을 물체에 수직으로 입사시키면 반대 면에서 초음파가 반사되는데 이때 초음파가 입사하여 되돌아오는 시간 또는 초음파의 진행속도를 알면 물체의 두께를 쉽게 측정할 수 있다. 또한 물체의 내부에 결함이 존재할 때는 탐촉자 (Probe : 초음파 송수신 장치)를 물체위로 이동시키면 결함이 존재하는 부위와 결함이 없는 부위에서의 초음파를 송수신하는 시간간격 및 반사되는 에너지의 양이 달라진다. 이와 같은 초음파의 송수신 시간간격 및 반사에너지양의 차이를 적절한 표준자료와 비교하면 결함의 위치와 크기를 알 수 있다. 이와 같은 검사방법을 펄스반사법 (Pulse-reflection)이라고 한다.

3 . 음파의 속도 음파는 매질의 압축과 팽창에 의해 전달되는 종파(압축파)로서 그 속도(v)는 매질의 종류와 온도에 따라 달라진다. 매질이 공기일 때 온도가 증가하면 음속은 커져 v= (331+ 0.1tc )m/s (tc : 섭씨온도)로 나타낼 수 있으며, 온도에 따른 음속의 변화는 매우 작

- 6 -

다. 매질의 종류에 의한 음속은 매질의 밀도, 압축률(또는 체적탄성계수)에 따라 결정 된다. 일반적으로 밀도와 압축률이 작을수록, 체적탄성계수가 클수록 음속은 커지며 보통 아래 식으로 나타낸다.

v =√

1ρ β =

√Eρ

( β : 압축률, E : 체적탄성계수, ρ : 밀도) 따라서 같은 매질 내에서 음파의 속력을 측정하면 그 매질의 압축률( β ) 또는 체적탄성계수( E )를 알아낼 수 있다.

4 . 압축률과 체적탄성계수 압축률( β )이란 유체가 힘(압력)을 받았을 때 압축이 되는 정도를 나타내는 상수로서 체적변화율 / 압력변화량으로 정의한다. 체적변화량을 V-V 0=ΔV, 체적변화율을 ΔVV0 , 압력변화량을 p- p 0=Δp라 하면, 압축률( β )은 아래 식으로 나타낸다.

β=-

ΔVV 0Δp

[ m2/N]

여기서 식의 앞에 (-)의 의미는 Δp와 ΔV는 항상 반대부호이므로 압축률( β )의 부호를 (+)로 하기 위함이다. 즉, 압축률( β )이 클수록 압력변화에 의한 체적변화율이 크므로 잘 압축되는 유체이다. 또한 압력변화량 / 체적변화율을 체적탄성계수( E )라 하는데, 압축률( β )과 역수의 관계이다. 따라서 체적탄성계수( E )가 클수록 잘 압축되지 않는 유체이다.

- 7 -

【그림 3】실험 장치에 적용한

초음파 탐상 원리

초음파 탐촉자

초음파

오실로스코프

유리잔

반사

여러종류의 액체

5 . 실험장치에 적용한 초음파 탐상 원리 【그림3】과 같이 유리잔에 일정량의 액체를 넣고 액체 내부의 같은 위치에서 초음파를 발생(초음파 탐촉자)시키면 초음파가 액체 매질로 전달되어 유리잔 바닥에서 반사된 후 탐촉자로 되돌아 온다. 이 때 반사되어 되돌아 오는 시간은, 압축률 및 체적탄성계수, 밀도, 분자간 상호작용력 등에 따라 초음파의 전달속도가 변하기 때문에 액체의 종류, 액체의 온도, 액체의 농도에 따라 달라진다. 따라서 반사된 초음파를 다시 초음파탐촉자로 수신하여 오실로스코프에 연결하면 초음파의 속도를 전기신호로 바꾸어 측정할 수 있으며, 이 데이터를 분석하여 액체의 종류, 온도, 농도에 따른 압축률(체적탄성계수)을 계산할 수 있으며, 또한 액체에 따라 초음파의 속도에 영향을 주는 요인(물리적 특성)을 밝혀낼 수 있다.

- 8 -

Ⅳ . 실 험 장 치 설 계 및 제 작

본 연구는 고등학교 화학Ⅱ, 대학교 일반화학 및 물리화학에서

많이 다루는 액체의 물리적 특성을 알아보기 위하여 제작된 장치

이다. 이 장치는 초음파를 활용하여 액체의 압축률 및 탄성, 분자

간 인력, 밀도 등의 차이에 따라 초음파의 전달속도가 달라진다.

본 연구에서는 이 속도의 차이를 비교․분석할 수 있는 정량적

인 실험장치를 개발하여 액체의 종류에 따라 시각적이며 정성적․

정량적인 여러 가지 실험을 할 수 있도록 하였다.

이 장에서는 개발한 실험장치의 구성 및 특징을 설명한다.

1. 실험장치 구성

【그림 4】실험장치의 구조

펄스리시버

디지털오실로스코

온도조절

유리잔

탐촉자

탐촉자

위치조절

( 1 ) 초음파 발생 및 수신부 (펄스리시버 및 탐촉자) 펄스리시버는 여러 종류의 액체가 일정량 담겨진 유리잔 내부

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에 주파수가 0.1～25MHz, 진폭이 30～200V인 삼각 또는 사각파를 발생 및 수신하는 초음파 송․수신기이다. 전면 채널의 조절을 통해 주파수 및 진폭의 선택이 가능하며, 유리잔 내부의 초음파탐촉자와 연결되어 탐촉자를 통해 송신과 수신을 할 수 있다. 본 연구에서는 5MHz의 주파수를 사용하여 다양한 액체에서 정확한 피크를 얻을 수 있었다.

【그림 5】초음파 발생 및 수신 부

초음파탐촉자

펄스리시버

초음파 탐촉자는 펄스리시버의 전기적 신호를 초음파로 바꾸어 줄 수 있는 음향 방출부와 방출된 초음파가 유리잔 내부의 바닥 면에 부딪혀 반사되어 돌아온 초음파를 받는 음향 수신 센서로 구성되어 있으며, 액체가 담긴 유리잔 안에서 위 ․아래로 움직일 수 있도록 하였다.

( 2) 초음파 전달부 (탐촉자 위치조절, 온도조절장치) ① 탐촉자 위치조절 펄스리시버와 탐촉자에 의해 발생한 초음파는 액체가 담겨진

- 10 -

【그림 6】초음파 전달 부

유리잔(반경 15 mm, 높이 200 mm) 에 담긴 액체를 통과하여 바닥 면에서 반사되는데, 이 때 초음파가 진행한 거리는 변하지 않아야 하므로 탐촉자의 위치를 미세하게 조절할 수 있어야 한다. 따라서 폐 현미경의 조동․미동나사를 이용하여 탐촉자의 위치를 일정하게 유지할 수 있도록 하였다.

② 온도조절장치 탐촉자 옆에 부착되어 탐촉자와 같이 움직이는 세라믹 온도센서와 외부에 고정된 온도표시계로 구성하였다. 온도 표시계에서 온도를 설정하면 현재온도와 설정온도를 비교하여 현재온도 값이 작은 만큼 자동으로 히터가 작동하여 짧은 시간 내에 설정온도에 도달시킬 수 있어 정온에서 실험이 가능하도록 하였다.

【그림 7】온도센서 위치 및 온도조절장치 작동 회로

탐촉자

유리잔

온도센서

탐촉자 연결관온도센서 연결선

25℃

온도표시계

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【그림 8】초음파 출력부

( 3 ) 초음파 출력부 (디지털오실로스코프 및 노트북) 펄스리시버의 출력단자로부터 받은 전기신호의 파형을 노트북에 프로그램화 하여 시간축(μs)과 전압(V)으로 확인할 수 있도록 한 장치이다. 이전의 파형을 기억할 수 있고, 파형을 축소 ․확대할 수 있다. 따라서 여기에 나타난 파형을 분석하여 다양한 액체에서 초음파가 반사되어 되돌아오는 시간(속도)을 쉽게 측정 ․계산할 수 있다.

2. 실험장치의 특징 (1) 초음파를 이용해 액체의 물리적 성질 및 특성을 빠른 시간 내에 간편한 방법으로 검출할 수 있다. (2) 고가의 장비를 대신할 수 있는 폐 현미경의 조동․미동나사를 이용하여 탐촉자의 위치에서 유리잔 바닥까지의 거리를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있어 액체의 부피를 정확하게 측정하지 않아도 데이터의 값에 변화가 없다. (3) 초음파의 높은 주파수를 이용해 액체의 종류에 따른 미세한 속도차이를 검출할 수 있으며, 재현성과 정밀도가 매우 높다. (4) 실험설계 및 방법이 간단하여 실험 소요시간이 단축되고 다양한 액체에 대하여 많은 데이터를 얻을 수 있다.

- 12 -

3. 속도 계산 및 데이터 분석 방법 (1) 액체가 담긴 유리잔 내부에 초음파를 발생시켜 디지털오실로스코프에 나타난 파형을 저장시킨 후 초음파 펄스의 위치를 확인하고 시간을 측정한다.

(2)【그림 9】는 5 MHz의 초음파를 물(15℃)에 인가할 때의 파형 모습을 시간(μs)축과 전압(V)으로 나타낸 파형이다. 각 피크는 유리잔 바닥에서 반사된 초음파가 탐촉자에 수신된 신호를 의미한다. 따라서 피크라인 사이의 시간은 초음파가 유리잔 내부 액체를 왕복한 시간( 208 μs )이다.

【그림 9】데이터 분석방법

시간측정( 208 ㎲ )

(100㎲)

- 13 -

(3) 모든 액체에 대하여 초음파가 왕복한 거리는 일정하므로 위 시간의 역수(0.00480)가 액체(매질)에 따른 초음파의 속도를 의미한다. 그런데 이 값이 너무 작아 액체마다 비교가 어려우므로 본 연구에서는 시간의 역수에 × 1 03을 하여 얻은 값( 4 . 8 0)을 초음파의 상대속도로 표현하였다.

4. 예비 실험을 통해 확인할 사항 (1) 초음파 주파수의 결정 펄스리시버의 주파수 발생범위는 0.1～25 MHz인데 각 범위 내에서 초음파가 유리잔 내부를 왕복하는데 걸린 시간(속도)을 측정하여 보았다. 액체의 종류에 따른 상대적인 데이터 값에는 영향을 주지 않았으나 액체의 고유진동수와 연관되어 주파수가 너무 큰 범위(20 MHz 이상)와 너무 작은 범위 (0.5 MHz)에서는 피크라인의 수가 적게 나타났다. 따라서 본 연구에서는 5 MHz의 주파수를 사용하였는데, 이 주파수에서 액체의 종류에 관계없이 가장 좋은 데이터를 얻을 수 있었다.

(2) 측정할 시간간격의 피크라인 범위 결정 5 MHz의 주파수에서 사용한 액체의 종류에 따라 피크라인의 수를 확인해 보았다. 액체의 종류에 따라 2개～5개의 피크가 관찰되며 어느 피크라인의 시간간격을 측정하여도 액체마다 상대적인 시간에는 영향을 주지 않았다. 따라서 본 연구에서는 사용한 모든 액체에 대해 가장 확실한 피크라인을 보인 첫 번째와 두 번째 피크라인의 시간 간격을 측정하였다.

- 14 -

【그림 10】측정할 시간 간격의 피크라인 범위 결정

사염화탄소(피크라인 2개) 물(피크라인 5개)

(3) 탐촉자의 위치 결정 탐촉자의 위치에 따라 초음파의 속도를 확인․측정하여 보았다. 탐촉자가 액체 표면 밖이나 표면에 있을 때는 같은 액체에 대하여 피크라인의 수가 다소 불규칙 하였으며 파의 형태도 많이 깨져있는 모습이었다. 그러나 액체 내부에 있을 때는 어느 위치에 있으나 항상 깨끗한 파형과 재현성이 뛰어난 데이터를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 탐촉자를 액체 표면 5 mm 아래쪽으로 일정하게 유지하였다.

- 15 -

Ⅳ . 실 험 방 법 및 분 석 결 과

초음파를 이용한 액체의 압축률을 측정할 수 있는 메커니즘(방

법)을 고안하여 실험장치를 개발하고, 이로부터 온도변화, 농도변

화, 액체의 종류에 따른 초음파 전달속도를 측정하였다. 이 장에

서는 각 실험방법과 측정결과에 대한 분석을 하였으며, 실험결과

는 실험장치를 직접 이용하여 얻은 것이다.

1 . 액체의 종류에 따른 압축률 가. 실험 과정 ① 실험할 액체의 부피 (130 mL)를 측정하여 유리잔에 넣은 후 온도

를 25℃로 설정한다. ② 액체의 온도가 설정온도에 도달하면 초음파 탐촉자를 액체 표면

5 mm 아래쪽에 위치하게 한다. ③ 펄스리시버와 디지털오실로스코프, 초음파탐촉자를 연결한

후 전원을 넣는다. ④ 디지털오실로스코프와 연결된 노트북 파형을 관찰한 후 화

면을 정지시킨다. ⑤ 피크라인 사이의 시간을 측정한다. ⑥ 여러 종류의 액체에 대하여 위 과정을 반복한다. ⑦ 각 액체에 대해 측정한 시간을 이용하여 초음파의 속도 및

압축률을 계산한다.

- 16 -

나. 실험 결과 ( 1 ) 액체의 종류에 따른 압축률 [온도 : 25℃ 일정]

【표 1】액체의 종류에 따른 압축률

물질명

사염

화탄

소

클로

로포

름

트리

클로

로

에틸

렌

메탄

올

아세

트산

아세

톤

에탄

올벤젠

톨루

엔

크실

렌황산

아닐

린물

시간 간격

(μs)320 302 286 270 256 252 248 228 228 224 222 216 204

속도

(× 10 3 ㎧ )0.94 0.99 1.05 1.11 1.17 1.19 1.21 1.32 1.32 1.34 1.35 1.39 1.47

밀도(g/㎤) 1.60 1.50 1.48 0.79 0.90 0.79 0.79 0.88 0.80 0.87 1.85 1.03 1.00

압축률

(실험값)

(× 10 -10m2/N )7.07 6.80 6.13 10.27 8.12 8.94 8.65 6.52 7.17 6.40 2.97 5.03 4.63

압축률

(이론값)

(× 10 -10m2/N )10.2 9.7 8.6 12.7 9.4 12.5 11.4 9.7 9.2 8.7 ― 4.7 4.6

이론값/압축률 1.4 1.4 1.4 1.2 1.2 1.4 1.3 1.5 1.3 1.4 ― 0.9 1.0

※ 압축률(계산값)은 음파의 속도 v = √

1ρ

( β : 압축률, ρ :밀도)에서 1/{밀도×(속도)2}로 계산하였음.

( 2) 액체의 종류에 따른 시간 간격 파형 ※ 부록1 참조

- 17 -

다. 실험결과 분석

【그림 11】액체의 종류에 따른 압축률 그래프

물 트리

클로로

에틸렌

크

실

렌

벤

젠

클로

로

포름

사염

화

탄소

톨

루

엔

아세

트산

에

탄

올

아

세

톤

메

탄

올

4

5

6

78

9

11

12

13

10

압축률(×10-10 m2/N)

이론값

실험값

① 액체의 종류에 따라 초음파의 전달속도는 다르며, 속도가 클수록 압축률이 작다.

② 측정한 압축률은 이론값과 비교하여(이론값 / 실험값) 상대 적으로 정확한 비율을 가지므로 유의미한 데이터로 활용할 수 있다.

※ 이론값 = (비례상수) × 측정값

- 18 -

2. 액체의 온도 변화에 따른 압축률

가. 실험 과정 ① 물 130 mL를 유리잔에 넣고 온도를 90℃로 설정한다. ② 온도조절장치의 히터가 멈추면 앞에서 언급한 액체의 종류

에 따른 압축률 실험 과정의 ②～⑤과정과 같이 한다. ③ 물의 온도를 공기 중에서 서서히 낮추어 가면서 위 ②의 과

정을 반복한다. ④ 에탄올과 크실렌에 대해서 설정온도를 끓는점 이하로 한 후

위 ①～③의 과정을 반복한다. ⑤ 각 액체의 온도변화에 따른 측정된 시간을 이용하여 초음파

속도 및 압축률을 계산한다.

나. 실험 결과 ( 1 ) 액체의 온도변화에 따른 압축률 ① 에탄올

【표 2】에탄올의 온도변화에 따른 압축률

온도(℃) 15 25 35 45 55 65 75

시간 (μs) 244 250 256 262 268 276 282

속도(× 10 3 ㎧ ) 1.23 1.20 1.17 1.15 1.12 1.09 1.06

밀도 (g/㎤) 0.79 0.79 0.78 0.76 0.75 0.73 0.72

압축률

(× 10 -10m2/N )8.37 8.79 9.37 9.95 10.63 11.53 12.36

- 19 -

② 크실렌【표 3】크실렌의 온도변화에 따른 압축률

온도(℃) 20 30 40 50 60 70 80 90

시간 (μs) 218 230 238 248 258 268 278 288

속도(× 10 3 ㎧ ) 1.38 1.30 1.26 1.21 1.16 1.12 1.08 1.04

밀도 (g/㎤) 0.87 0.85 0.83 0.81 0.78 0.76 0.73 0.70

압축률

(× 10 -10m2/N )6.04 6.96 7.59 8.43 9.53 10.49 11.74 13.21

③ 물【표 4】물의 온도변화에 따른 압축률

온도(℃) 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90

시간(μs) 216 210 206 202 198 196 194 196 198 200

속도(× 10 3 ㎧ ) 1.39 1.43 1.46 1.49 1.52 1.53 1.55 1.53 1.52 1.50

밀도(g/㎤) 1.00 1.00 1.00 1.00 0.99 0.99 0.98 0.97 0.97 0.97

압축률(실험값)

(× 10 -10m2/N )5.18 4.89 4.69 4.50 4.37 4.32 4.25 4.40 4.46 4.58

압축률(이론값)

(× 10 -10m2/N )4.90 4.85 4.67 4.51 4.46 4.37 4.33 4.42 4.48 4.61

( 2) 온도변화에 따른 시간 간격 파형 ＃ 부록 2 참조

- 20 -

다. 실험결과 분석

온도(℃)

속도(×10 3 m/s)

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

1.25

0 10 20 30 40 50 60 70 80

【그림 12】에탄올의 온도변화에 따른 속도 그래프

압축률(× 10 -10m2/N )

온도(℃)

6

7

8

9

10

11

12

13

0 20 40 60 80

【그림 13】에탄올의 온도변화에 따른 압축률 그래프

- 21 -

온도(℃)

속도(×103m/s)

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

0 20 40 60 80 100

【그림 14】크실렌의 온도변화에 따른 속도 그래프

압축률(× 10-10m2/N )

온도(℃)

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0 20 40 60 80 100

【그림 15】크실렌의 온도변화에 따른 압축률 그래프

- 22 -

온도(℃)

속도(×103m/s)

1.35

1.40

1.45

1.50

1.55

1.60

0 20 40 60 80 100

【그림 16】물의 온도변화에 따른 속도 그래프

압축률(× 10 -10m2/N )

온도(℃)

4.2

4.4

4.6

4.8

5.0

0 20 40 60 80 100

【그림 17】물의 온도변화에 따른 압축률 그래프

① 일반적으로 액체의 압축률은 온도 상승에 따라 선형으로 증가하는 경향을 나타낸다. 그 원인은 활발한 분자운동에 의해 분자사이의 거리가 멀어지므로 압축이 잘 된다고 판단된다.

- 23 -

② 물의 압축률은 60℃ 이상에서는 다른 액체들과 같은 경향을 나타내지만, 60℃이하에서는 특이하게 온도증가에 따라 압축률이 감소한다.

그 원인은 분자간 인력이 특별히 큰 물의 특이성에 의해 60℃를 기준으로 60℃보다 낮은 온도에서는 온도상승에 따라 분자간의 거리는 증가하나 분자간 인력이 약해져 분자운동이 활발해진 분자들이 분자간 인력을 유지하고 있는 분자사이의 공간을 효과적으로 채움으로서 압축률이 작아진다고 판단된다.

또한 60℃보다 높은 온도에서는 대부분의 분자들이 분자간 인력이 작아짐으로써 분자간 거리가 멀어지는 원인으로 압축률이 증가한다.

③ 온도변화에 따른 물의 압축률 그래프의 기울기를 보면, 60℃ 이하에서는 온도가 증가할 때 압축률에 더 큰 영향을 미치는 분자운동이 활발해져 초음파의 전달이 효과적으로 일어나 기울기가 큰 폭으로 감소하는 경향을 띠며, 60℃ 이상에서는 분자간 거리가 더욱 멀어지면서 유효 충돌을 하여 초음파를 효과적으로 전달하는 입자수가 적어지므로 활발한 분자운동에도 불구하고 기울기가 작은 폭으로 증가하는 경향을 나타낸다고 판단된다.

- 24 -

3 . 액체의 농도 변화에 따른 압축률

가. 실험 과정 ① 3% 소금물 130 mL를 측정하여 앞에서 언급한 액체의 종류

에 따른 압축률 실험 ②～⑤과정과 같이 한다. ② 소금물의 농도를 3%씩 증가시켜 위 ①과정을 반복한다. ③ 각 농도에 대해 측정한 시간을 이용하여 초음파의 속도 및

압축률을 계산한다.

나. 실험 결과 ( 1 ) 소금물의 농도변화에 따른 압축률 [온도 : 20℃ 일정]

【표 5】소금물의 농도변화에 따른 압축률

농도(%) 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39

시간(μs) 204 202 200 198 196 194 192 190 188 186 184 182 180

속도(× 10 3 ㎧ ) 1.47 1.49 1.50 1.52 1.53 1.55 1.56 1.58 1.60 1.61 1.63 1.65 1.67

밀도(g/㎤) 1.02 1.04 1.06 1.08 1.10 1.12 1.14 1.16 1.18 1.20 1.22 1.24 1.26

압축률

(× 10 -10m2/N )4.54 4.33 4.19 4.01 3.88 3.72 3.60 3.45 3.31 3.21 3.09 2.96 2.85

( 2) 소금물의 농도변화에 따른 시간 간격 파형 ＃ 부록 3 참조

- 25 -

다. 실험 결과 분석

농도(%)

속도(×10 3 m/s)

1.45

1.50

1.55

1.60

1.65

1.70

0 10 20 30 40 50

【그림 18】소금물의 농도변화에 따른 속도 그래프

온도(℃)

압축률(× 10 -10m2/N )

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0 10 20 30 40 50

【그림 18】소금물의 농도변화에 따른 압축률 그래프

① 용액의 농도가 증가함에 따라 압축률은 선형으로 감소한다.

- 26 -

② 용액의 농도가 증가할수록 단위부피 당 입자수가 많아져 입자사이의 거리가 줄어들므로 압축률이 작아진다고 판단되며, 증가한 입자수에 의해 유효 충돌 횟수가 많아져 초음파 전달이 효과적으로 일어난다고 생각된다.

- 27 -

물질명 톨루엔 크실렌 황산 아닐린 물

속도(× 10 3 ㎧ ) 1.32 1.34 1.35 1.39 1.47

밀도(g/㎤) 0.80 0.87 1.85 1.03 1.00

분자량(g/mol) 92.10 106.20 98.00 93.13 18.00

체팽창계수 (10-3 K-1 ) 1.09 0.99 0.56 0.85 0.18

끓는점(℃) 111 139 326 184 100

열전도도(W/mK) 0.15 ― ― 0.17 0.56

비열(J/g K) 1.72 1.67 1.38 2.05 4.18

점도(10-3N s/㎡) 0.60 0.69 28.00 4.60 1.06

(밀도×체팽창계수)-1

1.15 1.16 0.97 1.14 5.56

(끓는점/밀도) 138.75 159.77 176.22 178.64 100.00

4 . 초음파 속도에 영향을 주는 액체의 물리적 성질 분석 가. 실험 결과 [온도 : 25℃ 일정]

【표 6】다양한 액체의 초음파 속도와 물리적 성질

물질명사염화탄

소

클로로포

름

트리

클로로

에틸렌

메탄올 아세트산 아세톤 에탄올 벤젠

속도(× 10 3 ㎧ ) 0.94 0.99 1.05 1.11 1.17 1.19 1.21 1.32

밀도(g/㎤) 1.60 1.50 1.48 0.79 0.90 0.79 0.79 0.88

분자량(g/mol) 153.82 119.40 74.12 32.00 88.10 58.08 46.07 78.10

체팽창계수 (10-3 K-1 ) 1.22 1.27 1.19 1.20 1.35 1.43 1.10 1.15

끓는점(℃) 77 61 87 65 77 56 78 80

열전도도(W/mK) 0.10 0.12 ― 0.21 0.15 0.18 0.18 0.14

비열(J/g K) 0.84 0.96 0.96 2.48 2.01 2.17 2.43 1.71

점도(10-3N s/㎡) 1.01 0.58 1.20 0.60 0.42 0.34 1.25 0.67

(밀도×체팽창계수)-1

0.51 0.53 0.57 1.05 0.82 0.88 1.15 0.99

(끓는점/밀도) 48.25 40.72 58.78 82.28 85.56 70.80 98.61 90.81

- 28 -

나. 실험 결과 분석

① 밀도와 초음파 속도

1/ 밀도(×10-3m

3/ kg)

속도(×103m/s)

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

【그림 20】속도와 (1/밀도) 그래프

② 분자량과 초음파 속도

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00

속도(×103m/s)

분자량(g/mol)

【그림 21】속도와 분자량 그래프

- 29 -

③ 체팽창계수와 초음파 속도

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00

1/체팽창계수(103 K)

속도(×103m/s)

【그림 22】속도와 (1/체팽창계수) 그래프

④ 끓는점과 초음파 속도

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0 100 200 300 400

속도(×103m/s)

끓는점(℃)

【그림 23】속도와 끓는점 그래프

- 30 -

⑤ 열전도도와 초음파 속도

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

속도(×103m/s)

열전도도(W/mK)

【그림 24】속도와 열전도도 그래프

⑥ 비열과 초음파 속도

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

속도(×103m/s)

비열(J/gK)

【그림 25】속도와 비열 그래프

- 31 -

⑦ 점도와 초음파 속도

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

속도(×103m/s)

점도(×10-3Ns/m2)

【그림 26】속도와 점도 그래프

⑧ (밀도×체팽창계수)와 초음파 속도속도(×10

3m/s)

(밀도×체팽창계수)-1(m

3K/kg)

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00

물

【그림 27】속도와 (밀도× 체팽창계수)-1 그래프

- 32 -

⑨ (끓는점/밀도)와 초음파 속도

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00

속도(×103m/s)

끓는점/밀도(×10-3m3℃/kg)

【그림 28】속도와 (끓는점/밀도) 그래프

① 액체의 종류에 따라 초음파 전달속도가 다르며 그 값은 일정한 온도와 압력에서 항상 같은 값을 나타내므로 초음파 전달속도의 차이는 다양한 액체를 구별할 수 있는 간편한 방법으로 활용이 가능하다.

② 액체의 초음파 전달속도는 밀도와 분자량, 체팽창계수가 작 을 수록 증가하고 끓는점이 높을수록 빠른 경향성을 나타내지만 단일 요인만이 초음파 전달속도에 영향을 주지 않는다고 판단된다.

③ 액체의 여러 가지 물성 치와 초음파 전달속도를 비교하였을 때 초음파 전달속도는 분자간의 인력이 크고 입자수가 많을수록 증가하고, 질량이 클수록 감소하는 경향성을 나타낸다.

④ 밀도와 체팽창계수를 곱한 값과 끓는점을 밀도로 나눈 값이

- 33 -

초음파 전달속도와 가장 좋은 상관도를 갖는다. 그 원인은 밀도가 클수록 단위 부피 당 질량이 크므로 분자들을 운동시키기가 어려워 속도전달이 잘 이루어지지 않는 요인으로 작용하고, 체팽창률이 작고 끓는점이 높을수록 분자간의 인력이 크므로 효율적으로 초음파 전달이 이루어진다고 판단된다.

⑤ 비교적 상관관계가 높은 【그림 27】【그림 28】 그래프의 경향

성을 벗어나는 물질은 메탄올, 에탄올, 아닐린, 물이며 이 물질들은 분자간의 결합력이 특별히 큰 수소결합을 가지고 있기 때문에 초음파 전달속도에 영향을 미치는 여러 요인 중에서 분자간의 인력이 크게 작용한다고 생각된다. 특히 물은 분자간에 작용하는 힘이 매우 크고 단위 부피 당 입자수가 많아 다른 분자들에 비해 더욱 큰 차이가 발생한다고 판단된다.

- 34 -

Ⅴ . 결 론 및 제 언

본 연구에서는 초음파의 전달속도를 이용하여 액체의 압축률

을 측정할 수 있는 메커니즘을 개발하여 설계한 실험장치로 다

양한 조건에서 실험하여 얻은 측정된 시간(속도)값을 이용하여

액체의 압축률을 계산하고, 초음파 속도에 영향을 주는 요인을

분석하였다. 이 장에서는 앞의 결과와 그 결과에 대한 고찰로부

터 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 결론

이 연구에서는 초음파 전달속도 측정 장치를 사용하여 액체

의 압축률을 액체의 종류, 온도, 농도에 따라 정밀도 높게 측

정․계산할 수 있었고, 분자 간 인력 및 분자운동, 밀도 등에

의해 초음파 전달 속도 차이가 발생하는 것을 이용하여 액체의

물리적 성질을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째. 학교 현장의 화학 실험에서 시도(접근)하지 않았던 새로운

형태의 방법인 초음파를 이용하므로 기구의 조작이 간단하고 실험

시 위험성이 적으며 다양한 조건의 여러 액체에 대하여 많은 데이터

를 얻을 수 있었으며 초음파의 높은 주파수를 이용해 액체의 종류,

온도, 농도에 따른 미세한 압축률의 차이를 검출할 수 있는 재현성과

정밀도가 뛰어난 시각적인 실험장치를 고안․개발하였다.

둘째. 측정한 압축률은 이론값과 비교하여(이론값 / 실험값) 상대

적으로 정확한 비율을 가지므로 유의미한 데이터로 활용할 수 있

었으며 정성적․정량적 실험 및 분석을 통하여 다양한 액체의 밀

- 35 -

도, 분자량, 체팽창계수, 끓는점, 열전도도, 비열, 점도, 온도, 농도

와 초음파 전달속도의 관계를 확인하여 그 원인 분석을 통해 학

생들에게 액체의 성질 및 특성, 액체분자 상호작용력 및 분자운동

에 대한 이해도를 증진시킬 수 있을 것으로 생각된다.

2. 제언

기존의 압축률 측정은 높은 압력이 요구되어 고가의 장비로만

가능했던 것을 초음파의 전달 속도차이를 이용한 아이디어로 폐

현미경을 활용하여 저렴한 비용으로 쉽게 액체의 압축률 값을 얻

을 수 있었으며 눈으로 확인하기 어려운 액체의 압축률 변화를

시각화하였으므로 자연스럽게 학생들의 흥미유발을 일으켜 고등

학교에서 뿐만 아니라 대학교 교육현장에 이르기까지 폭넓게 활

용할 가치가 있는 실험 장비이다. 또한 온도변화에 따른 액체의

압축률 측정을 통해 물 분자의 특이성을 발견할 수 있었으며, 냉

방이 되도록 온도 조절 장치를 구현하면 폭넓은 범위에서 측정값

을 얻을 수 있을 것이고 이를 바탕으로 화학분야에서 중요시 하

는 물의 특성 연구에 많은 도움을 줄 것으로 기대된다.

- 36 -

참 고 문 헌

(1) 교육부, 고등학교 과학과 교육과정 해설, 1995.

(2) 윤금희, “인문계고교 물리과 실험실 운영의 문제점과 그 해결

방안”, 고려대학교 대학원 석사학위 논문, 1991. 2.

(3) 김경수, “고등학교 물리교과 열역학 학습을 위한 실험장치 개

발”, 인하대학교 대학원 석사학위 논문, 2002. 2.

(4) 안운선, 물리화학, 탐구당, 1990.

(5) P. W. Atkins, 물리화학(3판), 일신사, 1990.

(6) Frank M. White, 유체역학(5판), 한국맥그로힐, 2003.

(7) Alexander J. Smite, 유체역학, 시그마프레스, 2002.

(8) 정완호, 권재술, 정진우, 김효남, 최병순, 허명, 과학과 수업모

형, 교육과학사, 1998.

(9) David R. Lide, Ph.D., CRC Handbook of Chemistry and

Physics. 71st ed. CRC Press Boca Raton Ann Arbor

Boston. 1990-1991.

(10) Trowbridge, L. W. and Bybee, R. W., Becoming a

secondary school science teacher. 4th ed. Columbus, OH:

Merril Publishig Co. 1986.

- 37 -

부록 1 . 액체의 종류에 따른 시간 간격 파형

【사염화탄소 피이크간 간격- 3 20μs】 【클로로포름 피이크간 간격- 3 02μs】

【트리클로로에틸렌 피이크간 간격-286μs】 【메탄올 피이크간 간격- 27 0μs】

- 38 -

【아세트산 피이크간 간격- 25 6μs】 【아세톤 피이크간 간격- 25 2μs】

【에탄올 피이크간 간격- 24 8μs】 【벤젠 피이크간 간격- 228μs】

- 39 -

【톨루엔 피이크간 간격- 228μs】 【크실렌 피이크간 간격- 224μs】

【황산 피이크간 간격- 222μs】 【아닐린 피이크간 간격- 21 6μs】

- 40 -

【물 피이크간 간격- 208μs】

- 41 -

부록 2. 액체의 온도변화에 따른 시간 간격 파형

1 . 물 ( 5℃～ 9 0℃)

【 9 0℃에서 피이크간 간격- 200μs】 【 8 0℃에서 피이크간 간격- 1 9 8μs】

【 7 0℃에서 피이크간 간격- 1 9 6μs】 【 60℃에서 피이크간 간격- 1 9 4μs】

- 42 -

【 5 0℃에서 피이크간 간격- 1 9 6μs】 【 4 0℃에서 피이크간 간격- 1 9 8μs】

【 3 0℃에서 피이크간 간격- 202μs】 【 20℃에서 피이크간 간격- 206μs】

- 43 -

【 1 0℃에서 피이크간 간격- 21 0μs】 【 5℃에서 피이크간 간격- 21 6μs】

2. 에탄올 ( 1 5℃～ 7 5℃)

【 7 5℃에서 피이크간 간격- 28 2μs】 【 65℃에서 피이크간 간격- 27 6μs】

- 44 -

【 5 5℃에서 피이크간 간격- 268μs】 【 4 5℃에서 피이크간 간격- 262μs】

【 3 5℃에서 피이크간 간격- 25 6μs】 【 25℃에서 피이크간 간격- 25 0μs】

- 45 -

【 1 5℃에서 피이크간 간격- 24 4μs】

3 . 크실렌 ( 20℃～ 9 0℃)

【 9 0℃에서 피이크간 간격- 28 8μs】 【 8 0℃에서 피이크간 간격- 27 8μs】

- 46 -

【 7 0℃에서 피이크간 간격- 268μs】 【 60℃에서 피이크간 간격- 25 8μs】

【 5 0℃에서 피이크간 간격- 24 8μs】 【 4 0℃에서 피이크간 간격- 23 8μs】

- 47 -

【 3 0℃에서 피이크간 간격- 23 0μs】 【 20℃에서 피이크간 간격- 21 8μs】

- 48 -

부록 3 . 소금물의 농도변화에 따른 시간 간격 파형

【 3 % 소금물 피이크간 간격- 204μs】 【 6% 소금물 피이크간 간격- 202μs】

【 9 % 소금물 피이크간 간격- 200μs】 【 1 2% 소금물 피이크간 간격- 1 9 8μs】

- 49 -

【 1 5 % 소금물 피이크간 간격- 1 9 6μs】 【 1 8 % 소금물 피이크간 간격- 1 9 4μs】

【 21 % 소금물 피이크간 간격- 1 9 2μs】 【 24 % 소금물 피이크간 간격- 1 9 0μs】

- 50 -

【 27 % 소금물 피이크간 간격- 1 8 8μs】 【 3 0% 소금물 피이크간 간격- 1 8 6μs】

【 3 3 % 소금물 피이크간 간격- 1 8 4μs】 【 3 6% 소금물 피이크간 간격- 1 8 2μs】

- 51 -

【 3 9 % 소금물 피이크간 간격- 1 8 0μs】

- 52 -

A b s t r a c t

It is a very difficult task to make a device which can

measure molecular motions and liquid compressibility in

experiments of thermodynamics and physical chemistry. This

fact has caused teachers to engage mostly in the qualitative

analysis using some simple models in the class.

In this study, a device is developed which can measure the

time (speed) thrown back in the digital-oscilloscope by means

of electric signals when supersonic waves are generated into

the liquid and it can also calculate the liquid compressibility

using the measured time (speed) value. Furthermore, the

efficiency and accuracy have been ascertained by analysing the

factors which influence the speed of supersonic waves.

This device is designed to be processed in the following

steps. First, supersonic detector changes the electric signal of

pulse receiver into supersonic waves so that it can release

sounds, then the sound receiving sensor turns the supersonic

that is reflected from the inward bound of the glass into

electric signals. The sound wave of the electric signal can be

checked by the time axe (μs) and voltage (V) given by the

digital-oscilloscope, which is programmed by notebook

computer. Besides, the detector is supposed to maintain its

place by means of adjustable screws of discarded microscope

since the processed distance of the supersonic should not be

altered. Experiment which is not influenced by temperature is

also possible because the temperature controller attached on

- 53 -

the detector compare current temperature with previously fixed

one, and if there is a difference between the two, the

controller will make a heater operate in order to overcome the

difference.

By using this device, not only was it possible to measure the

liquid compressibility in terms of a types, temperature, and

density of the liquid, but physical characteristics influencing

the speed of supersonic were able to be analyzed through the

acquired value.

The liquid compressibility was visually identified by the

experimental device in this study, so it will help high school

students as well as college ones to understand the nature,

characteristics, and molecular motions of liquid. It was also

possible to identify the peculiarity of water molecules by

measuring the compression ratio of liquid, which assigns a

new motif and task for the study of water characteristics that

is considered important in the chemistry field. and further

systematic studies should be conducted on this field.

목차Ⅰ.서론1.연구의 필요성2.연구의 목적

Ⅱ.이론적 배경1.초음파2.초음파 탐상의 원리3.음파의 속도4.압축률과 체적탄성계수5.실험장치에 적용한 초음파 탐상 원리

Ⅲ.실험장치 설계 및 제작1.실험장치의 구성2.실험장치의 특징3.속도 계산 및 데이터 분석 방법4.예비 실험을 통해 확인할 사항

Ⅳ.실험방법 및 분석 결과1.액체의 종류에 따른 압축률2.액체의 온도 변화에 따른 압축률3.액체의 농도 변화에 따른 압축률4.초음파 속도에 영향을 주는 액체의 물리적 성질 분석

Ⅴ.결론 및 제언1.결론2.제언

참고문헌부록Abstract

표목차[표-1]액체의 종류에 따른 압축률[표-2]에탄올의 온도변화에 따른 압축률[표-3]크실렌의 온도변화에 따른 압축률[표-4]물의 온도변화에 따른 압축률[표-5]소금물의 농도변화에 따른 압축률[표-6]다양한 액체의 초음파 속도와 물리적 성질

그림목차[그림-1] 주파수의 범위에 따른 음파의 분류[그림-2] 초음파 탐상의 원리[그림-3] 실험장치에 적용한 초음파 탐상 원리[그림-4] 실험장치의 구조[그림-5] 초음파 발생 및 수신부[그림-6] 초음파 전달부[그림-7] 온도센서 위치 및 온도조절장치 작동 회로[그림-8] 초음파 출력부[그림-9] 데이터 분석방법[그림-10] 측정할 시간 간격의 피크라인 범위 결정[그림-11] 액체의 종류에 따른 압축률 그래프[그림-12] 에탄올의 온도변화에 따른 속도 그래프[그림-13] 에탄올의 온도변화에 따른 압축률 그래프[그림-14] 크실렌의 온도변화에 따른 속도 그래프[그림-15] 크실렌의 온도변화에 따른 압축률 그래프[그림-16] 물의 온도변화에 따른 속도 그래프[그림-17] 물의 온도변화에 따른 압축률 그래프[그림-18] 소금물의 농도변화에 따른 속도 그래프[그림-19] 소금물의 농도변화에 따른 압축률 그래프[그림-20] 속도와 (1/밀도) 그래프[그림-21] 속도와 분자량 그래프[그림-22] 속도와 (1/체팽창계수) 그래프[그림-23] 속도와 끓는점 그래프[그림-24] 속도와 열전도도 그래프[그림-25] 속도와 비열 그래프[그림-26] 속도와 점도 그래프[그림-27] 속도와 (밀도×체팽창계수)-1 그래프[그림-28] 속도와 (끓는점/밀도) 그래프

목차Ⅰ.서론 1 1.연구의 필요성 1 2.연구의 목적 2Ⅱ.이론적 배경 4 1.초음파 4 2.초음파 탐상의 원리 5 3.음파의 속도 5 4.압축률과 체적탄성계수 6 5.실험장치에 적용한 초음파 탐상 원리 7Ⅲ.실험장치 설계 및 제작 8 1.실험장치의 구성 8 2.실험장치의 특징 11 3.속도 계산 및 데이터 분석 방법 12 4.예비 실험을 통해 확인할 사항 13Ⅳ.실험방법 및 분석 결과 15 1.액체의 종류에 따른 압축률 15 2.액체의 온도 변화에 따른 압축률 18 3.액체의 농도 변화에 따른 압축률 24 4.초음파 속도에 영향을 주는 액체의 물리적 성질 분석 27Ⅴ.결론 및 제언 34 1.결론 34 2.제언 35참고문헌 36부록 37Abstract 52

표목차[표-1]액체의 종류에 따른 압축률 16[표-2]에탄올의 온도변화에 따른 압축률 18[표-3]크실렌의 온도변화에 따른 압축률 19[표-4]물의 온도변화에 따른 압축률 19[표-5]소금물의 농도변화에 따른 압축률 24[표-6]다양한 액체의 초음파 속도와 물리적 성질 27

그림목차[그림-1] 주파수의 범위에 따른 음파의 분류 4[그림-2] 초음파 탐상의 원리 5[그림-3] 실험장치에 적용한 초음파 탐상 원리 7[그림-4] 실험장치의 구조 8[그림-5] 초음파 발생 및 수신부 9[그림-6] 초음파 전달부 10[그림-7] 온도센서 위치 및 온도조절장치 작동 회로 10[그림-8] 초음파 출력부 11[그림-9] 데이터 분석방법 12[그림-10] 측정할 시간 간격의 피크라인 범위 결정 14[그림-11] 액체의 종류에 따른 압축률 그래프 17[그림-12] 에탄올의 온도변화에 따른 속도 그래프 20[그림-13] 에탄올의 온도변화에 따른 압축률 그래프 20[그림-14] 크실렌의 온도변화에 따른 속도 그래프 21[그림-15] 크실렌의 온도변화에 따른 압축률 그래프 21[그림-16] 물의 온도변화에 따른 속도 그래프 22[그림-17] 물의 온도변화에 따른 압축률 그래프 22[그림-18] 소금물의 농도변화에 따른 속도 그래프 25[그림-19] 소금물의 농도변화에 따른 압축률 그래프 25[그림-20] 속도와 (1/밀도) 그래프 28[그림-21] 속도와 분자량 그래프 28[그림-22] 속도와 (1/체팽창계수) 그래프 29[그림-23] 속도와 끓는점 그래프 29[그림-24] 속도와 열전도도 그래프 30[그림-25] 속도와 비열 그래프 30[그림-26] 속도와 점도 그래프 31[그림-27] 속도와 (밀도×체팽창계수)-1 그래프 31[그림-28] 속도와 (끓는점/밀도) 그래프 32