아래 그림처럼 둥근플라스크에 고무관을 연결해서 물에 담그고 둥근플라스 안에 약간의 물을 넣고 가열했다가 식히면 어떻게 될까?
너무 간단한 실험이라 해본 적이 없다. 이번에 신과수 하계연수에서 독일에서 온 안드레아 선생님이 이 실험을 보여줄때만 해도 사실 시큰둥 했다.
저 정도는 한국 교사들도 다 알고 있는데 꼭 해봐야 하나, 당연히 물을 가열하면 수증기로 증발하고 수증기가 공기를 밀어내면서 플라스크 내부는 수증기로 가득 채워지고, 가열을 멈추면 수증기가 응결해서 물방울로 바뀌면서 그 공간을 물이 채우고 들어 오겠지
그런데 둥근플라스크 안에 물이 얼만큼이나 들어올까? (글쎄. 해본적이 없어서 꽤 많이 채우지 않을까? 뭐 이런걸 꼭 해 봐야 하나?)
하지만 실험 시연이 끝나고 많은 반성을 하게 되었다. 언제부턴가 가장 기본이 되는 실험을 소홀히 하고 있었나 본다.
역시 알고 있는는 것과 해 보는 것은 다르다.
그래서 돌아오자 마자 과학실에서 실험도구들을 찾아다가 실험을 재연해 보았다.
500ml 둥근 플라스크 안에 물을 너무 많이 넣으면 다 기화 하는데 시간이 너무 오래 걸리고 너무 적으면 공기가 다 빠져 나오지 않는다. 여러번 실험 결과 페트병 뚜껑 정도의 물이면 실험하는데 적당했다.
일단 재연한 실험 영상을 보자.
이론적으로 둥근플라스크 안에 공기가 다 밀려 나가고 수증기로 채워졌다가 수증기가 응결하면 거의 진공상태가 되므로 둥근플라스크 안은 100% 물로 채워져야 한다.
실제 실험을 해본 결과 채워진 물의 양 - 거의 가득 차 올랐다.
<이런것 까지 관찰하고 이유를 생각해 보자>
1. 수조에 담긴 고무관 끝에서 공기가 나오는지 수증기가 나오는지 어떻게 알 수 있을까?
- 공기가 나오면 기포가 수면까지 올라오지만, 수증기가 나오기 시작하면 기포가 고무관 끝에서는 나오지만 수면까지 올라오지 않는다.
2. 처음에 빨려 들어온 물은 자세히 관찰해 보면 들어오자 마자 다시 증발하면서 고무관을 따라 물을 밀어낸다. 그리고 두번째 빨려 들어온 물 부터 둥근플라스크 안으로 본격적으로 들어온다. 두번째 빨려 들어온 물도 첫번째 빨려 들어온 물처럼 고무관의 물을 밀어내는 왕복 운동을 여러번 하게 하려면 어떻게 해야 할까?
- 둥근 플라스크 안에 물을 모두 증발시키고 건조한 둥근 플라스크를 충분히 가열한다면
- 만약 고무관이 더 길어져서 고무관 안에 물의 온도가 충분히 높다면
- 고무마개에 끼운 유리관 끝을 더 얇게 해서 들어오는 물의 양이 지금보다 충분히 적다면
왕복운동을 여러번 하게 할 수 있지 않을까 생각해 본다.
3. 왜 100% 물이 채워지지 않을까? 나름대로 고민해 보고 있다.
- 빨려 들어온 물의 온도 증가로 인한 기체 용해도 감소?(그렇다면 물을 끓여서 사용하면?)
- 빨려 들어온 물도 온도가 있으니까 그 온도에 해당하는 증기압 발생?
<주의사항>
1. 토치의 불꽃은 가능한 약하게 해서 가열하고, 불 조절이 잘 되지 않으면 조금 먼 거리에거 가열한다. 단 불꽃 방향을 엉뚱한 방향으로 향하면 고무관이나 주변에 있는 물건이 탈 수 있으므로 주의한다. (촬영하던 스마트폰 태울 뻔 했음)
2. 고무마개에 유리관 끝이 얇으면 물이 들어오는 시간이 오래 걸려서 훨씬 극적으로 보인다. 하지만 너무 얇으면 가열하다가 고무마개가 발사되는 일이 생긴다.(영상에는 찍히지 않았지만 유리관 끝을 아주 얇게 만들어서 실험하다가 고무마개 1번 발사 되었음)
3. 수조에 담긴 고무관 위치는 중간정도가 좋다. (실험 영상에서는 너무 아래쪽에 고정 시켰더니 수증기가 나올때 증기압 때문에 수조 바닥을 때리는 소리가 심하게 난다)
4. 화기를 다루는 실험이라 아무 생각없이 플라스크나 토치를 손으로 만졌다가 화상을 입거나, 잠깐의 부주의로 불을 낼 수 있다. 조심 또 조심
