액체 질소를 이용한 여러 실험

액체 질소를 이용한 여러 실험

                                                                              2015. 03. 28.

1. 탐구동기

 

1학년 때, 학교에서 절대온도와 기체의 부피는 비례한다는 샤를의 법칙을 배웠다. 그 예로 풍선을 액체질소에 넣어 온도를 배우 낮추면 기체의 부피도 감소하여 풍선이 쪼그라든다는 것도 배웠다. 그런데 공부하다보니 정말 그렇게 될지 의문이 들었고 직접 한 번 보고 싶었다. 또한, 자기부상열차와 같이 초전도체가 쓰이는 곳을 알고 싶었다. 그리고 원리를 이해하기 위해서 온도가 매우 낮은 약 –196℃의 액체 질소에 여러 물체를 넣어 실험을 하고 초전도체를 만들어 보고 싶기도 했다.

 

 

 

2. 가설설정

 

① 여러 물체를 액체 질소에 넣어보면 얼어서 매우 딱딱해질 것이고 잘 깨질 것이다.

② 자석을 매우 낮은 온도로 낮추면 초전도체가 되어 저절로 공중에 뜰 것이다.

 

 

 

3. 준비물

 

액체 질소, 장갑, 홈런볼(과자), 바나나, 칼, 고무풍선, 고무관, 스티로폼, 장미, 망치, 플라스틱 컵, 연유, 딸기 또는 초코 우유, 나무젓가락, 장갑, 자석판, 금속

 

 

 

4. 주의할 점

 

① 액체 질소는 –196℃로 온도가 매우 낮기 때문에 손에 닿으면 화상을 입으므로 항상 장갑을 끼고 조심해야 한다.

② 물체를 액체 질소에 넣을 때 액체 질소가 튀지 않도록 항상 조심한다.

 

 

 

5. 탐구과정

 

< 실험 1 > - 액체 질소에 홈런볼을 넣어보고 먹어보기

① 액체 질소에 홈런볼을 넣는다.

② 잠시 기다린 후, 홈런볼의 물기를 털고 먹어본다.

 

< 실험 2 > - 액체 질소에 바나나와 장미를 넣어보고 관찰하기

① 액체 질소에 잘린 바나나를 넣는다.

② 잠시 기다린 후, 바나나를 꺼내 상태를 확인하고 망치로 부수어본다.

③ ①~②의 과정을 장미에 대하여 반복한다.

 

< 실험 3 > - 고무관을 액체 질소에 넣기 전과 후 비교하기

① 고무관을 스티로폼에 꽂아본다.

② 고무관을 액체 질소에 넣고 뺀 후, 딱딱해진 고무관을 다시 스티로폼에 꽂아본다.

③ 실험 전후를 기준으로 고무관의 상태를 비교한다.

 

< 실험 4 > - 고무풍선을 액체 질소에 넣어 크기 변화 관찰하기

① 고무풍선을 불어서 액체 질소에 담근다.

② 풍선의 크기 변화를 관찰한 후, 다시 상온에 꺼내 놓는다.

③ 상온에서의 풍선의 크기 변화를 또 관찰한다.

 

< 실험 5 > - 액체 질소를 이용하여 아이스크림 만들기

① 플라스틱 컵에 딸기 또는 초코 우유를 컵의 1/3 정도 부은 후, 연유를 약간 넣는다.

② 액체 질소를 우유와 연유가 섞인 컵에 많이 붓는다.

③ 혼합물이 얼 동안, 나무젓가락으로 계속 휘저어준다.

④ 다 얼었으면 맛있게 먹는다.

 

< 실험 6 > - 초전도체 관찰하기

① 금속을 액체 질소 속에 잠깐 넣어 둔다.

② 금속을 액체 질소에서 꺼내어 자석판 위에 올린다.

③ 금속의 위치를 관찰해보고 일정 시간마다 계속 액체 질소를 부어준다.

 

 

 

5. 탐구결과

 

어떤 물체든지 액체 질소에 닿으면 바로 딱딱해졌고 망치로 쉽게 부수어졌다. 예를 들어, 바나나, 장미들은 모두 액체 질소에 넣는 순간 차갑게 굳어져 부수기 쉬웠다. 고무풍선의 크기 변화를 관찰하는 실험에서는 액체 질소에 풍선이 들어가는 순간, 풍선이 매우 작게 쪼그라들었고 딱딱해졌다. 그런데 상온에 다시 나오는 순간, 부풀어 오르기 시작했다. 마지막으로, 초전도체 실험에서는 금속이 자석판 위의 공중에 뜨게 되어 살짝만 쳐도 매우 매끄럽게 이동했다.

 

 

 

6. 자료해석

 

(1) 바나나, 장미와 같은 생명체의 경우에는 대부분이 물로 이루어져 있다. 그런데 이런

생명체들이 액체 질소에 들어가면 온도가 급격히 감소하면서 물체 내부의 수분이

급격히 얼기 때문에 물체가 매우 딱딱해진다.

 

(2) 고무풍선이 액체 질소에 들어가면 부피가 매우 작아진다. 이는 기체의 부피는 온도에 비례한다는 ‘샤를 법칙’에 의해 기체의 부피가 매우 작아지기 때문이다.

- 부피와 온도의 관계 :

- 샤를 법칙 :

 

(3) 초전도체의 원리

- 금속의 온도가 임계온도 미만으로 낮추어지면 저항이 0이 된다. 이는 물체를 이루는 원자들의 진동이 거의 멈추게 되기 때문이다. 저항이 없어진다는 것은 자석판 위에서 공중에 뜰 수 있다는 것을 의미하는데, 이런 기술을 자기부상열차, 의료기구 등과

같이 실생활에서 유용하게 쓰일 수 있다.

 

 

7. 알게 된 점과 알고 싶은 점

 

액체 질소를 직접 보고 실험 도구로 사용한 것은 이번 실험이 처음이었다. 모든 것을 얼리고 딱딱하게 만드는 액체 질소는 정말로 신비로웠다. 하지만, 더 신기했던 것은 초전도체였다. 공중에 뜨고 아무리 눌러도 바닥에지 붙지 않는 초전도체는 특히 더 놀라웠다. 만약에 기회가 또 있다면, 초전도체를 이용한 실험을 많이 해보고 싶다. 또한, 초전도체가 쓰이는 분야나 장소를 직접 보고 경험해보고 싶다.

 

 

 

8. 활동 사진