어는점 내림 실험의 온도 측정 장치 연구 -여러 개의 센서와 이중시험관 활용- (Research on Temperature Measurement Devices for Freezing Point Depression Experiments ―Using Multiple Sensors and the Dual Test Tubes―)

초록

어는점은 액체에서 고체로 물질의 상태가 변화하는 과정에서 열의 출입은 있으나 온도 변화가 나타나지 않는 시점의 온도이다. 용액의 몰랄농도가 높아질수록 어는점은 낮아지는 경향을 보이며 이 경향성은 용매에 따른 실험 상수값에 비례한다. 따라서 용액의 어는점 측정 실험을 통해 분자량을 결정하거나 어는점 내림 상수값을 구하는 등의 교육적 활용도가 높다. 그러나 어는점 내림 측정 실험은 여러 농도의 용액에 대한 어는점을 측정해야 하므로 측정이 번거롭고, 실험 과정 중 과냉각이 발생할 경우 어는점을 결정하는데 어려움이 있다. 이 연구에서는 실험 수행 및 데이터 분석의 어려움을 고려하여 교육적으로 활용 가능한 어는점 내림 실험에서의 온도 측정 장치를 고안하였다. 어는점 내림 실험 장치 고안의 기준은 저렴한 비용은 물론 용액의 양 조절을 통한 측정값의 정밀도 향상 및 40분 이내 측정 데이터를 수집하는 데에 있었다. 이를 위해 교과서의 실험을 분석한 후 여러 농도 용액의 온도를 동시에 측정할 수 있는 장치를 구성하였다. 그리고 사용되는 용액의 양을 조정하는 절차를 수행하여 측정 데이터의 정밀도를 높이고자 하였다. 연구 결과 어는점 내림 실험의 온도 측정 장치는 하나의 무선 와이파이 아두이노 보드에 여러 개의 방수 온도 센서(DS18B20)를 연결하였으며 ThingSpeak (https://thingspeak.com)를 활용하여 실시간 측정값을 모니터링하고 측정 데이터를 수집하였다. 특히 이중시험관을 개발하여 용액의 양을 최소화함으로써 최소 10분에서 최대 40분 내에 여러 농도 수용액의 상태 변화 과정에서의 온도 변화 측정이 가능했다. 이 실험 장치는 제한된 시간 내에 여러 용액의 온도 측정 데이터를 비교적 정밀하게 얻고자 하는 고등학생, 대학생의 기본 화학 실험에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

영어초록

Heat enters and exits at a substance's freezing point, but no temperature change occurs when it changes from liquid to solid. A solution's freezing point decreases as its molality increases. Depending on the solvent, this tendency is proportional to the constant value of the experiment. It is of substantial educational value to use freezing point experiments to calculate molecular weight or estimate the freezing point depression constant value. However, measuring the freezing points of several solutions simultaneously is cumbersome when performing freezing point depression experiments. It is essential to determine the freezing point of a solution and analyze measurement data. This study developed an educational freezing point depression experiment due to the difficulty of conducting experiments and analyzing data. To select the freezing point depression experimental devices, we considered several factors, including their low cost and efficiency in measuring the freezing point. The study also aimed to improve the accuracy of the estimated value by controlling the amount of solution needed. A wireless Wi-Fi Arduino board was used to connect multiple waterproof temperature sensors(DS18B20) to the measurement devices. The device measured the temperature of different concentrations of aqueous solutions within 10 or 40 minutes. Data were collected in real time via ThingSpeak(https://thingspeak.com). In particular, this study aimed to examine how the amount of solution used in the experiment could be adjusted. The dual test tube was developed to increase the accuracy of the measurement device. High school and college students can use this experimental device to obtain relatively accurate measurements within a limited time.

참고자료

· 없음