KR20110003993U - 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 상면이 개구된 형태를 가지며 그 내부에는 물을 넣을 수 있는 투명의 육면체형 저수조와; 상기 저수조 내의 물을 가열하여 온도를 올리기 위한 가열부와; 상기 저수조 내의 물을 냉각하여 온도를 내리기 위한 냉각부와; 상기 저수조 내에 설치되어 물의 흐름을 알 수 있게 하는 바람개비와; 상기 가열부와 냉각부의 온도를 제어하고 운전하는 제어부로 구성된 물의 대류작용 실험장치이다.

상기 저수조에는 상기 저수조를 가열조와 냉각조로 나누는 격벽이 수직으로 형성되며, 상기 격벽의 상단 높이는 물이 상기 가열조에서 상기 냉각조로 넘어 갈 수 있도록 상기 저수조의 외벽 상단보다 낮게 형성되고, 상기 격벽의 하부 중앙에는 상기 냉각조에서 상기 가열조로 물이 이동되는 통로가 되고, 상기 바람개비가 설치되는 원형의 오프닝이 형성되며, 상기 가열부는 상기 가열조의 하부에 설치되고, 상기 냉각부는 상기 냉각조의 상부에 설치된다.

상기 바람개비는 물의 대류가 일어나는 방향과 마주치게 설치하여 하강하는 물과 상승하는 물의 이동에 의한 힘을 상기 바람개비에서 받아 회전할 수 있도록 상기 오프닝에 설치되는 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치이다.

본 고안에 따르면 이론의 설명으로는 이해가 어려운 대류 작용에 대하여 물의 대류에 의하여 바람개비가 회전하는 것을 눈으로 확인할 수 있을 뿐 아니라, 4°C의 물이 비중이 가장 높아 물 중에 제일 무거우므로 아래로 내려가고 아래로 내려간 물을 보충하기 위하여 가열된 물은 밀도가 작아져서 가벼워지기 때문에 위로 올라가는 대류 현상을 직접 눈으로 볼 수 있는 학습장치로서 효과가 있다.

대류, 대류현상, 물의 비중, 냉각, 가열, 실험장치, 과학 학습도구, 과학교재

Description

눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치{Visual Experimental Apparatus for Convection of Water}

본 고안은 과학학습도구에 관한 것으로, 더 상세하게는 물의 대류작용을 가시적으로 볼 수 있게 한 "눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치"이다.

열의 전달과정은 전도, 복사, 대류로 나눈다. 이 가운데 대류는 유체가 부력에 의한 상하운동으로 열을 전달하는 것으로서 아랫부분이 가열되면 대류에 의해 유체 전체가 골고루 가열된다.

이로 인해서 유체는 전체가 고루 가열된다. 유체가 부분적으로 가열되어 온도가 높아지면(물의 4℃ 이하와 같은 경우는 제외), 그 부분이 팽창하여 밀도가 작아지기 때문에 부력이 생겨 위로 올라가고, 대신 위에 있던 온도가 낮고 밀도가 큰 부분이 내려온다. 이러한 과정을 되풀이함으로써 물질 자신의 운동에 의해 열을 전달하는 현상이 대류이며, 그 결과 유체는 위쪽에서부터 따뜻해진다. 냉장고의 얼음은 높은 데에 두고, 난방기구는 낮은 데에 두는 것은 이 대류효과를 이용한 것이 다. 난류(暖流)·육풍(陸風)·해풍(海風) 등 대기의 대류현상은 기상상태를 결정하는 중요한 요인의 하나이다. 가열되는 구역이 유체의 윗부분에 있으면 대류는 일어나지 않는다.

저수지에 있어서 대류현상은 왜 생기나? 저수온기가 되면 대류현상이 더욱 심해진다. 바람 한 점 없이 고여있는 물인데도 찌를 드리워 보면 물 흐름이 눈에 띄게 심할 때가 있으며 얼음낚시에서 더욱 확연히 대류현상이 느껴집니다.

들어오는 물길도 없고 흘러나가는 물길도 없고 더구나 저수지가 얼음으로 덮여 바람결이 미치지도 않는데 흐름이 심하며 특히 가벼운 채비나 타이완식 낚시, 중층낚시의 경우 대류현상은 절대적인 영향을 미친다. 흐름이 심할수록 낚시 자체가 불편할 뿐더러 집어 포인트 형성 등이 의도대로 되지 않을 수도 있다.

그렇다면 이런 흐름현상 즉 대류 현상은 왜 나타나는 것일까? 물은 온도에 따라 부피가 달라지고 무게가 달라지며 4°C에서 가장 비중이 높아지며 날씨가 추워지고 수온이 내려가기 시작하면 물의 온도도 수면에서부터 따라 내려가며 수면의 온도가 4°C가 되면 물의 무게가 가장 무거워지므로 무거워진 물은 아래로 내려가고 무거운 물이 내려간 그 자리를 온도가 다른 가벼운 물이 올라와 채우게 되며, 날씨에 따라 이런 현상이 거듭되게 되는데 이렇게 도는 현상을 "대류현상"이라고 한다. 날씨가 춥고 기온 변화가 급격할수록 대류현상이 활발해지게 된다.

또 수심이 깊은 저수지일수록 수심에 따른 수온 차가 심하기 때문에 대류현상이 더욱 활발해지며 반면 수면이나 바닥이나 수온차이가 날 수 없는 얕은 수심에서는 대류현상이 나타나지 않습니다. 그래서 작고 얕은 저수지의 물은 조금만 추워 도 바로 얼지만 큰 땜의 경우는 물이 워낙 깊어서 바닥의 수온이 4°C까지 떨어지지 않기 때문에 대류현상이 계속 되여 수면의 수온이 영하로 내려가지 않아 아무리 추워도 얼지 않는 것입니다.

온도에 따라 물의 밀도는 어떻게 변할까? 얼음이 녹아 물로 될 때는 수소결합중 일부가 끊어지면서 빈공간이 줄어들어 부피가 작아짐으로 밀도가 커지며. 4°C일 때 밀도는 최대가 되는데 거기에서 계속 온도가 증가하면 분자운동이 활발해져서 부피가 팽창하므로 밀도가 다시 감소합니다. 위에서 수소결합중 일부가 끊어진다고 했는데 물은 H₂O 로, H가 결합력이 높은 F,O,N과 결합하면 결합력이 큰 수소결합을 하는데요, 물도 수소 결합입니다. 얼음일 때 물은 육각형모양으로 이루어져있어서, 큰 공간을 차지하게 되어 부피가 커진다.

본 고안은 저수조를 가열조와 냉각조로 나누어 냉각조의 상부의 물을 냉각시키고 가열조의 하부 물을 가열시켜 물의 밀도 차이에 의한 물의 흐름 즉 대류현상을 가시적으로 볼 수 있게 하는 실험장치를 제공하는 것이 본 고안의 해결하고자 하는 과제이다.

본 고안은 상면이 개구된 형태를 가지며 그 내부에는 물을 넣을 수 있는 투명의 육면체형 저수조와; 상기 저수조 내의 물을 가열하여 온도를 올리기 위한 가열부와; 상기 저수조 내의 물을 냉각하여 온도를 내리기 위한 냉각부와; 상기 저수조 내에 설치되어 물의 흐름을 알 수 있게 하는 바람개비와; 상기 가열부와 냉각부의 온도를 제어하고 운전하는 제어부로 구성된 물의 대류작용 실험장치이다.

상기 저수조에는 상기 저수조를 가열조와 냉각조로 나누는 격벽이 수직으로 형성되며, 상기 격벽의 상단 높이는 물이 상기 가열조에서 상기 냉각조로 넘어 갈 수 있도록 상기 저수조의 외벽 상단보다 낮게 형성되고, 상기 격벽의 하부 중앙에는 상기 냉각조에서 상기 가열조로 물이 이동되는 통로가 되고, 상기 바람개비가 설치되는 원형의 오프닝이 형성되며, 상기 가열부는 상기 가열조의 하부에 설치되고, 상기 냉각부는 상기 냉각조의 상부에 설치된다.

상기 바람개비는 물의 대류가 일어나는 방향과 마주치게 설치하여 하강하는 물과 상승하는 물의 이동에 의한 힘을 상기 바람개비에서 받아 회전할 수 있도록 상기 오프닝에 설치되는 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치로써 본 과제를 해결할 수 있다.

본 고안에 따르면 이론의 설명으로는 이해가 어려운 대류 작용에 대하여 물의 대류에 의하여 바람개비가 회전하는 것을 눈으로 확인할 수 있을 뿐 아니라, 4°C의 물이 비중이 가장 높아 물 중에 제일 무거우므로 아래로 내려가고 아래로 내려간 물을 보충하기 위하여 가열된 물은 밀도가 작아져서 가벼워지기 때문에 위로 올라가는 대류 현상을 직접 눈으로 볼 수 있는 학습장치로 사용할 수 있다.

본 고안은 크게는 상면이 개구된 형태를 가지며 그 내부에는 물을 넣을 수 있는 투명의 육면체형 저수조(1)와; 상기 저수조(1) 내의 물을 가열하여 온도를 올리기 위한 가열부(2)와; 상기 저수조(1) 내의 물을 냉각하여 온도를 내리기 위한 냉각부(3)와; 상기 저수조(1) 내에 설치되어 물의 흐름을 알 수 있게 하는 바람개비(4)와; 상기 가열부(2)와 냉각부(3)의 온도를 제어하고 운전하는 제어부(5)로 구성된 물의 대류작용 실험장치이다.

세부적으로는 상기 저수조(1)에는 상기 저수조(1)를 가열조(11)와 냉각조(12)로 나누는 격벽(13)이 수직으로 형성되며, 상기 격벽(13)의 상단 높이는 물 이 상기 가열조(11)에서 상기 냉각조(12)로 넘어 갈 수 있도록 상기 저수조(1)의 외벽 상단보다 낮게 형성되고, 상기 격벽(13)의 하부 중앙에는 상기 냉각조(12)에서 상기 가열조(11)로 물이 이동되는 통로가 되고, 상기 바람개비(4)가 설치되는 원형의 오프닝(131)이 형성되며, 상기 가열부(2)는 상기 가열조(11)의 하부에 설치되고, 상기 냉각부(3)는 상기 냉각조(12)의 상부에 설치된다.

상기 저수조(1)에는 상기 가열부(2)의 상부 5~10cm 에 가열부 온도센서(21)가 설치되고, 상기 냉각부(3)의 하부 5~10cm 에 냉각부 온도센서(31)가 설치되며, 상기 가열부(2)는 간접가열방식으로 핀튜브타입의 히팅코일(heating coil)(22)을 사용하며 외부에 고온수기(6)를 두고 고온수가 상기 히팅코일(heating coil)(22)을 순환하면서 열교환이 이루어지며 상기 고온수의 온도 조절범위는 70°C ~ 95°C 이고, 상기 냉각부(3)는 간접냉각방식으로 핀튜브타입의 쿨링코일(cooling coil)(32)을 사용하며 외부에 냉각기(chiller)(7)를 두고 냉각매체가 상기 쿨링코일(cooling coil)(32)을 순환하면서 열교환이 이루어지며 상기 냉각매체의 온도 조절범위는 -15°C ~ 15°C 이고, 상기 냉각기(7)는 상기 냉각조(12)를 가열할 필요성이 있을 때 즉 기존의 역실험을 하기 위하여 고온수기로도 겸용으로 쓸 수 있게 내부에 히터를 구비하고 냉각매체의 온도 설정범위가 -15°C ~ 95°C 인 것으로 구성할 수도 있다.

상기 바람개비(4)는 물의 대류가 일어나는 방향과 마주치게 설치하여 하강하는 물과 상승하는 물의 이동에 의한 힘을 상기 바람개비(4)에서 받아 회전할 수 있도록 상기 오프닝(131)에 설치한다.

상기 제어부(5)에는 상기 가열부 온도센서(21)와 냉각부 온도센서(31)에서 감지한 온도를 표시하고, 상기 가열부(2)와 냉각부(3)의 온도 설정을 할 수 있게 하며, 설정온도를 유지할 수 있게 상기 고온수기(6)의 고온수와 냉각기(7)의 냉각매체의 온도를 제어할 수 있도록 구성되는 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치이다.

이하, 첨부 도면에 의거 본 고안을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치의 전체 사시도이며, 도 2는 본 고안의 실시예에 따른 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치의 정면도이고, 도 3은 본 고안의 실시예에 따른 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치의 측면도이며, 도 4는 본 고안의 실시예에 따른 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치의 평면도이다.

도 1, 도2, 도3, 도4에 도시되어 있는 것 같이 본 고안은 크게는 상면이 개구된 형태를 가지며 그 내부에는 물을 넣을 수 있는 투명의 육면체형 저수조(1)와; 상기 저수조(1) 내의 물을 가열하여 온도를 올리기 위한 가열부(2)와; 상기 저수조(1) 내의 물을 냉각하여 온도를 내리기 위한 냉각부(3)와; 상기 저수조(1) 내에 설치되어 물의 흐름을 알 수 있게 하는 바람개비(4)와; 상기 가열부(2)와 냉각부(3)의 온도를 제어하고 운전하는 제어부(5)로 구성된 물의 대류작용 실험장치이며, 투명의 육면체형 저수조(1)는 유리나 투명 아크릴로 제작하는 것이 바람직하다.

세부적으로는 상기 저수조(1)에는 상기 저수조(1)를 가열조(11)와 냉각 조(12)로 나누는 격벽(13)이 수직으로 형성되며, 상기 격벽(13)의 상단 높이는 물이 상기 가열조(11)에서 상기 냉각조(12)로 넘어갈 수 있도록 상기 저수조(1)의 외벽 상단보다 낮게 형성되고, 상기 격벽(13)의 하부 중앙에는 상기 냉각조(12)에서 상기 가열조(11)로 물이 이동되는 통로가 되고, 상기 바람개비(4)가 설치되는 원형의 오프닝(131)이 형성되며, 상기 가열부(2)는 상기 가열조(11)의 하부에 설치되고, 상기 냉각부(3)는 상기 냉각조(12)의 상부에 설치된다.

상기 저수조(1)에는 상기 가열부(2)의 상부 5~10cm 에 가열부 온도센서(21)가 설치되고, 상기 냉각부(3)의 하부 5~10cm 에 냉각부 온도센서(31)가 설치되며, 상기 가열부(2)는 간접가열방식으로 핀튜브타입의 히팅코일(heating coil)(22)을 사용하며 외부에 고온수기(6)를 두고 고온수가 상기 히팅코일(heating coil)(22)을 순환하면서 열교환이 이루어지며 상기 고온수의 온도 조절범위는 70°C ~ 95°C 이고, 상기 냉각부(3)는 간접냉각방식으로 핀튜브타입의 쿨링코일(cooling coil)(32)을 사용하며 외부에 냉각기(chiller)(7)를 두고 냉각매체가 상기 쿨링코일(cooling coil)(32)을 순환하면서 열교환이 이루어지며 상기 냉각매체의 온도 조절범위는 -15°C ~ 15°C 이고, 상기 냉각기(7)는 상기 냉각조(12)를 가열할 필요성이 있을 때 즉 기존의 역실험을 하기 위하여 고온수기로도 겸용으로 쓸 수 있게 내부에 히터를 구비하고 냉각매체의 온도 설정범위가 -15°C ~ 95°C 인 것으로 구성할 수도 있다.

상기 바람개비(4)는 물의 대류가 일어나는 방향과 마주치게 설치하여 하강하는 물과 상승하는 물의 이동에 의한 힘을 상기 바람개비(4)에서 받아 회전할 수 있 도록 상기 오프닝(131)에 설치한다.

상기 제어부(5)에는 상기 가열부 온도센서(21)와 냉각부 온도센서(31)에서 감지한 온도를 표시하고, 상기 가열부(2)와 냉각부(3)의 온도 설정을 할 수 있게 하며, 설정온도를 유지할 수 있게 상기 고온수기(6)의 고온수와 냉각기(7)의 냉각매체의 온도를 제어할 수 있도록 구성하며 상기 제어부(5)의 구성은 공지의 기술이므로 본 고안에는 상세한 설명을 생략한다.

상기 가열부 및 냉각부 온도센서(21, 31)와 가열부(2) 및 냉각부(3)를 상기 저수조(1)에 설치하기 위해서는 상기 저수조(1)의 외벽에 원형의 오프닝 구멍을 뚫어 상기 가열부 및 냉각부 온도센서(21, 31)와 가열부(2) 및 냉각부(3)를 설치한 후 누설을 방지하기 위하여 실리콘으로 상기 오프닝과 기기 사이를 철저히 메우며, 상기 가열부(2) 및 냉각부(3)는 중량이 나가므로 하부나 외벽에서의 지지가 필요하다.

눈으로 보는 물의 대류작용 실험방법은 상기 냉각부 온도센서(31)의 설정온도를 4°C에 맞추고 상기 가열부 온도센서(21)의 설정온도는 30°C 정도로 맞춘 후 상기 냉각기(chiller)(7)의 운전온도는 -10°C로 설정하고 고온수기(6)의 운전온도는 60°C로 설정한 후 상기 냉각기(chiller)(7)와 고온수기(6)를 가동하여 냉각매체 및 열매체를 순환시켜 물을 냉각 및 가열시켜 상기 냉각조(12)와 가열조(11)의 물 온도를 설정온도가 되게 하면 물은 4°C에서 제일 무거우므로 상기 냉각조의 상기 냉각부 온도센서 부근의 물의 무게가 무거워 아래로 내려가고 아래로 내려간 물의 자리를 메우기 위해 상기 가열조(11)의 물은 온도가 높으므로 팽창하여 밀도가 작아지기 때문에 부력이 생겨 위로 올라가 물이 순환하게 되어 상기 바람개비(4)가 회전하게 된다.

상기 냉각부 온도센서(31)의 설정온도를 30°C 로 재 설정하여 상기 계속 가동하면 상기 냉각조(12)의 온도가 서서히 올라가므로 처음에는 그래도 대류가 일어나서 상기 바람개비(4)가 회전하다가 상기 냉각조(12)의 온도가 설정온도 30°C 에 가까워지면 대류가 일어나지 않아 상기 바람개비(4)가 정지하는 것을 볼 수 있으므로 상기와 같은 실험으로 눈으로 물의 대류작용을 볼 수 있다.

또한 대류에 의한 상기 바람개비(4)의 회전과 더불어 상기 가열조(11)의 상부에 붉은색 액체의 색소를 스포이트로 첨가하고, 상기 냉각조(12)의 상부에는 파란색 액체의 색소를 스포이트로 첨가하여 대류에 의해 붉은색과 파란색의 색소가 도는 것을 볼 수 있게 하는 것도 대류현상을 이중으로 관찰할 수 있으므로 본 고안의 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치에 추가하는 것도 바람직하다.

본 고안에 따르면 이론의 설명으로는 이해가 어려운 대류 작용에 대하여 물의 대류에 의하여 바람개비가 회전하는 것을 눈으로 확인할 수 있을 뿐 아니라, 4°C의 물이 비중이 가장 높아 물 중에 제일 무거우므로 아래로 내려가고 아래로 내려간 물을 보충하기 위하여 가열된 물은 밀도가 작아져서 가벼워지기 때문에 위로 올라가는 대류 현상을 직접 눈으로 볼 수 있는 학습장치로 사용할 수 있다.

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치의 전체 사시도

도 2는 본 고안의 실시예에 따른 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치의 정면도

도 3은 본 고안의 실시예에 따른 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치의 측면도

도 4는 본 고안의 실시예에 따른 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치의 평면도

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

WL : 수면

1 : 저수조 11 : 가열조

12 : 냉각조 13 : 격벽

131 : 오프닝 2 : 가열부

21 : 가열부 온도센서 22 : 히팅코일

3 : 냉각부 31 : 냉각부 온도센서

32 : 쿨링코일 4 : 바람개비

5 : 제어부 6 : 고온수기

7 : 냉각기

Claims (3)

1. 상면이 개구된 형태를 가지며 그 내부에는 물을 넣을 수 있는 투명의 육면체형 저수조(1)와;

   상기 저수조(1) 내의 물을 가열하여 온도를 올리기 위한 가열부(2)와;

   상기 저수조(1) 내의 물을 냉각하여 온도를 내리기 위한 냉각부(3)와;

   상기 저수조(1) 내에 설치되어 물의 흐름을 알 수 있게 하는 바람개비(4)와;

   상기 가열부(2)와 냉각부(3)의 온도를 제어하고 운전하는 제어부(5)로 구성된 물의 대류작용 실험장치에 있어서,

   상기 저수조(1)에는 상기 저수조(1)를 가열조(11)와 냉각조(12)로 나누는 격벽(13)이 수직으로 형성되며,

   상기 격벽(13)의 상단 높이는 물이 상기 가열조(11)에서 상기 냉각조(12)로 넘어 갈 수 있도록 상기 저수조(1)의 외벽 상단보다 낮게 형성되고,

   상기 격벽(13)의 하부 중앙에는 상기 냉각조(12)에서 상기 가열조(11)로 물이 이동되는 통로가 되고, 상기 바람개비(4)가 설치되는 원형의 오프닝(131)이 형성되며,

   상기 가열부(2)는 상기 가열조(11)의 하부에 설치되고,

   상기 냉각부(3)는 상기 냉각조(12)의 상부에 설치되며,

   상기 저수조(1)에는 상기 가열부(2)의 상부 5~10cm 에 가열부 온도센서(21)가 설치되고, 상기 냉각부(3)의 하부 5~10cm 에 냉각부 온도센서(31)가 설치되며,

   상기 가열부(2)는 간접가열방식으로 핀튜브타입의 히팅코일(heating coil)(22)을 사용하며 외부에 고온수기(6)를 두고 고온수가 상기 히팅코일(heating coil)(22)을 순환하면서 열교환이 이루어지며 상기 고온수의 온도 조절범위는 70°C ~ 95°C 이고,

   상기 냉각부(3)는 간접냉각방식으로 핀튜브타입의 쿨링코일(cooling coil)(32)을 사용하며 외부에 냉각기(chiller)(7)를 두고 냉각매체가 상기 쿨링코일(cooling coil)(32)을 순환하면서 열교환이 이루어지며 상기 냉각매체의 온도 조절범위는 -15°C ~ 15°C 이고,

   상기 바람개비(4)는 물의 대류가 일어나는 방향과 마주치게 설치하여 하강하는 물과 상승하는 물의 이동에 의한 힘을 상기 바람개비(4)에서 받아 회전할 수 있도록 상기 오프닝(131)에 설치하며,

   상기 제어부(5)에는 상기 가열부 온도센서(21)와 냉각부 온도센서(31)에서 감지한 온도를 표시하고, 상기 가열부(2)와 냉각부(3)의 온도 설정을 할 수 있게 하며, 설정온도를 유지할 수 있게 상기 고온수기(6)의 고온수와 냉각기(7)의 냉각매체의 온도를 제어할 수 있도록 구성되는 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치
2. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각기(7)는 상기 냉각조(12)를 가열할 필요성이 있을 때 즉 기존의 역실험을 하기 위하여 고온수기로도 겸용으로 쓸 수 있게 내부에 히터를 구비하고 냉 각매체의 온도 설정범위가 -15°C ~ 95°C 인 것을 특징으로 하는 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치
3. 제 1항에 있어서,

   상기 가열조(11)와 상기 냉각조(12)에 붉은색 색소 및 파란색 색소를 투입할 2개의 스포이트(SPUIT)를 갖추는 것을 특징으로 하는 눈으로 보는 물의 대류작용 실험장치

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