☞ 강의 Tip.

“실험뚝딱” 교사용 지도서- 오리 증기배

이번 단원에서는 물질의 상태변화에 대해 알아보고, 물의 상태변화로 만들어진 증기를 이용하여 동력을 낼 수 있는 증기기관의 원리와 여러 가지 증기기관의 발명품들을 나열하여 학생들의 호기심을 이끌어내도록 합니다. 더불어 기체의 부피와 온도와의 관계를 명시한 샤를의 법칙과 그 예를 함께 지도해주시면 좋습니다.

▩ 물질의 상태변화

(1) 물질을 가열하거나 냉각시킬 때 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태 사이에서 일어나는 변화입니다. 상태 변화는 주로 열에 의해서 일어납니다. 고체 물질을 가열하면 액체 상태가 되고 계속 더 가열하면 기체 상태가 되는 것에서 알 수 있듯이, 물질은 상태에 따라 열에너지의 양이 다릅니다. 즉, 기체는 액체보다, 액체는 고체보다 많은 열에너지를 가지고 있습니다. 따라서 물질을 구성하는 입자들은 주위 에서 열을 흡수하거나 주위에 열을 방출하면서 상태가 변할 수 있습니다.

(2) 반대로 온도를 낮추어 주면 수증기, 물, 얼음 순으로 상태 변화합니다. 상태 변화를 일으키는 또 다른 원인은 압력의 변화입니다. 예를 들면 부탄가스 통을 흔들어 보면 액체 소리가 납니다. 상온에서 부탄가스는 기체이지만 압력이 큰 가스통 속에 들어가면 액체 상태로 변화합니다.

여름이 되면 햇빛이 쨍쨍 내리쬐고 아스팔트가 녹을 정도로 덥습니다. 이럴 때는 마당에 물을 뿌리 거나 공원의 분수대나 시원한 폭포가 있는 계곡으로 피서를 떠나기도 합니다. 반면에 지혜로운 우리 조상들은 겨울에 창고에 보관한 음식이 얼지 않도록 창고 여기저기에 물이 담긴 그릇을 놓아두었습니다. 그러면 온도가 많이 낮아져도 그릇에 담긴 물이 얼면서 주위로 응고열을 방출하여 음식이 어는 것을 방지할 수 있었습니다. 이와 같은 원리로 기온이 떨어졌을 때 오렌지 농장에서는 나무에 물을 뿌려 오렌지가 어는 것을 막습니다. 또한 북극에 사는 이누이트 족은 이글루 안쪽에 물을 뿌려서 추위를 이겨 냅니다.

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▩ 증기기관

(1) 18세기 후반 영국의 ‘제임스 와트’ 는 ‘뉴커먼’의 대기압 증기 기관의 성능을 개선하여 피스톤을 대기압이 아닌 증기 압력으로 구동하는 증기 기관을 발명하여 산업 혁명의 계기가 되었으며, 오늘날 증기 기관의 기초를 마 하였습니다.

(2) 증기 기관은 구조가 간단하고 고장이 적으며, 취급이 쉽습니다. 또한, 회전을 시작할 때의 출력이 크며, 속도 조절과 역회전이 쉽다 는 장점이 있습니다.

(3) 열효율이 낮고 회전 속도가 느리며, 증기 터빈과 같이 몇 만 마력의 큰 출력을 얻기가 어려울 뿐 아니라 보일러와 응축기가 항상 필요하여 소형 경량화가 어려운 등의 단점이 있습니다.

▩ 증기기관의 기본원리

증기 기관의 원리는 보일러에서 발생시킨 고온ㆍ고압의 증기를 밸브실로 이끈 다음, 밸브의 작용에 의하여 피스톤의 앞뒤에 번갈아 증기를 보내어 실린더 내에서 피스톤을 왕복 운동시키고, 이 피스톤의 왕복 운동이 피스톤 로드와 연결봉에 이어진 크랭크에 전달되어 크랭크축을 회전시킴으로써 동력을 얻는 것입니다.

! 증기선

증기선은 증기 기관을 동력으로 하여 추진되는 배입니다. 1787년 미국의 휘치는 배의 양쪽에 여러 개의 노를 달아 증기 기관을 이용하여 이 노를 젓도록 고안한 증기선을 발명하였습니다. 그리고 1807년 기선의 발명가로 잘 알려진 미국의 풀턴은 휘치의 증기선을 개량하여 배의 양쪽에 증기 기관을 이용하여 물레방아처럼 회전하는 노를 설치한 실용적인 배, 클러몬트 호를 완성하였습니다. 풀턴은 클러몬트호로 12명의 승객을 태우고 32시간 동안 240km의 항해에 성공함으로써, 상업적으로도 성공을 거두어 미국과 유럽 등에 널리 보급되었습니다. 그 후, 1839년 미국의 에릭슨은 회전하는 노 대신에 프로펠러 스크루를 사용한 아르키메데스호를 만들어, 증기선의 성능을 더욱 향상시켰습니다.

클러몬트 호

▩ 샤를의 법칙

압력이 일정할 때, 기체의 온도가 올라갈수록 기체의 부피는 증가하고, 온도가 내려가면 부피가 감소한다는 것을 정리한 법칙입니다. 기체의 온도가 올라가면 기체를 이루는 분자들의 운동이 활발해지며, 분자들의 운동 범위가 넓어집니다. 이렇게 분자들의 운동 범위가 넓어진다는 것은 결국 부피가 증가한다는 것을 말합니다.

▩ 샤를 법칙과 관련된 현상

① 열기구 속의 공기를 가열하면 열기구가 떠오릅니다.

➜ 열기구 속 공기의 온도가 높아져 부피가 증가함에 따라 공기의 밀도가 주위의 공기의 밀도보다 작아지기 때문입니다.

② 난로 주위에 있던 고무풍선이 터집니다.

➜ 난로 주위에서는 온도가 높아져 고무풍선 안에 들어 있던 공기의 부피가 증가하기 때문입니다.

③ 다 쓴 뷰테인 가스통은 구멍을 뚫어 버립니다.

➜ 온도가 높아지면 뷰테인 가스의 부피가 증가하여 뷰테인 가스통이 폭발할 수 있기 때문입니다.

④ 여름철에서는 겨울철에 비해 자동차 타이어의 공기를 조금 덜 넣어줍니다.

➜ 여름에는 기온이 높아 타이어 안에 들어있는 공기의 부피가 증가하여 팽팽해지기 때문입니다.

⑤ 여름철, 차량 내부에 다 쓴 가스라이터를 두면 폭발할 위험이 있습니다.

➜ 가스라이터는 뷰테인 가스와 프로페인 가스를 압축시켜 연료로 사용합니다. 여름철에 다 쓴 가스라이터 안에 남아있던 가스의 부피가 증가하여 가스라이터가 폭발할 위험이 있습니다.

☺ 재미있는 이야기

최초로 교통사고를 낸 자동차

증기 기관을 이용한 최초의 자동차는 1769년 프랑스의 ‘니콜라 죠셉 퀴뇨’가 만든 3륜 증기 자동차입니다. 보일러와 실린더 2개를 앞바퀴에 얹은 그의 자동차는 속도가 시속 5km 정도였으며 운전이 어려웠고, 15분마다 보일러에 물을 보충해야 했습니다. 브레이크 장치가 없어 결국 파리 교외의 언덕길에서 벽에 부딪혀 화재를 일으켰는데, 이로써 퀴뇨의 증기 자동차는 세계 최초로 교통사고를 낸 자동차라는 기록도 가지게 되었습니다.

달걀을 뜨거운 물에 바로 넣어 삶으면 터지는 이유는?

달걀 껍데기 안쪽에는 공기집이 있습니다. 따라서 뜨거운 물에 달걀을 바로 넣어 삶으면 공기집 속 공기의 부피가 갑자기 증가하므로 껍데기가 압력을 견디지 못하고 터지게 됩니다.

팝콘과 강냉이의 차이점

옥수수 알은 작고 질긴 껍질로 싸여 있는데, 온도를 높여 주면 물이 수증기로 변하여 분자 운동이 활발해지면서 부피가 점점 커지다가, 더 이상 견딜 수 없을 만큼 팽창하면 터져서 부풀어 올라 팝콘이 됩니다. 강냉이는 밀폐된 기계에 옥수수 알을 넣고 계속 온도를 높여 주어야 합니다. 이처럼 기체의 온도와 압력이 높아지면 옥수수에 들어 있는 물 분자의 운동이 활발해지면서 수증기가 됩니다. 이때 뚜껑을 열어 옥수수에 미치는 압력을 작게 하면 옥수수 속 수증기의 부피가 더욱 크게 증가하면서 한순간에 옥수수가 터져 강냉이가 됩니다.