아낌없이 주는 나무

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화학에서 아주 중요한 개념인 '몰농도'에 대해 알아 봅시다.

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몰농도란 무엇일까요 ?

몰농도는 용액 1리터 속에 들어있는 용질의 몰 수를 나타내는 것입니다.

쉽게 말하면, 물 같은 용매에 얼마나 많은 양의 물질이 녹아 있는지를 나타내는 것입니다.

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몰농도의 단위는 M(몰라, molar)이죠.

예를 들어, 1M 설탕물은 물 1리터(ℓ)에 설탕 1몰(mol)이 녹아 있는 것을 나타냅니다.

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몰농도를 구하는 공식은 이렇습니다.

몰농도 (M) = 용질의 몰(mol) 수 / 용액의 부피 (ℓ)

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이제 몰농도(M)에 대해 더 자세히 알아봅시다.

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1. 몰농도의 의미

 ▣ 몰농도는 용액의 진하기를 나타내는 방법 중 하나입니다.

     진하다는 것은 용질이 많이 녹아 있다는 뜻이고,

     묽다는 건 용질이 적게 녹아 있다는 뜻입니다.

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2. 몰농도의 예시

  ▣ 0.1M 소금물 : 물 1리터에 소금 0.1몰이 녹아 있는 수용액의 농도를 말합니다.

  ▣ 2M 설탕물 : 물 1리터에 설탕 2몰이 녹아 있는 수용액을 말합니다.

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3. 몰농도 계산하기

  ▣ 예를 들면, 물 500 ㎖에 소금 29.25 g을 녹였다고 한다면

       소금의 분자량이 58.5g / mol이라면 몰농도는 어떻게 될까요?

  ▣ 풀이

    ① 먼저 소금의 몰 수를 구합니다.

         29.25g ÷ 58.5 g /mol = 0.5mol

   ② 용액의 부피를 리터(ℓ)로 바꿉니다.

        500 ㎖ = 0.5 ℓ

   ③ 몰농도 산정 공식에 대입합니다.

        몰농도 = 몰수 / 부피(ℓ) = 0.5 mol / 0.5 ℓ = 1 M

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   따라서 이 소금물의 몰농도는 1M 입니다.

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4. 몰농도의 활용

  ▣ 몰농도는 화학 실험에서 정말 많이 사용됩니다.

      예를 들어, 산과 염기의 반응을 연구할 때나 약품을 만들 때

      몰농도를 이용해 정확한 양을 계산합니다.

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5. 몰농도와 일상생활

  ▣ 우리 일상생활에서도 몰농도 개념을 찾아볼 수 있죠.

       예를 들어, 주스를 물로 묽게 만들 때도 비슷한 원리를 사용합니다.

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이제 몰농도를 응용하여 삼투압 몰농도에 대해 알아 봅시다.

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삼투압 몰농도란 무엇일까요?

삼투압 몰농도는 용액의 삼투압을 나타내는 방법입니다.

삼투압은 반투막을 사이에 두고 물이 이동하도록 하는 힘(압력)을 말합니다.

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삼투압 몰농도의 단위는 Osm(오스몰, osmole) 입니다.

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삼투압 몰농도를 구하는 공식은 아래와 같습니다.

삼투압 몰농도 (Osm) = i × 몰농도 (M)

여기서 i는 반트호프 계수라고 하고 이는 이온화 정도에 따라 달라집니다.

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삼투압 몰농도의 예를 들어 봅시다.

  ◈ 0.9% 생리식염수 : 혈액과 같은 삼투압을 가져서 우리 몸에 주사할 수 있어요.

  ◈ 5% 포도당 용액 : 수액으로 많이 사용되는 용액이에요.

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삼투압 몰농도 계산하기

예를 들어,

  0.1 M NaCl 용액의 삼투압 몰농도를 구해봅시다.

  이때 NaCl의 반트호프 계수는 2라고 합시다.

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풀이 :

삼투압 몰농도 (Osm) = i × 몰농도 (M)

삼투압 몰농도 = 2 × 0.1M = 0.2 Osm

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따라서 이 용액의 삼투압 몰농도는 0.2 Osm 입니다.

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몰농도와 삼투압 몰농도는 화학뿐만 아니라 생물학, 의학에서도 아주 중요한 개념입니다.

예를 들어, 우리 몸의 세포가 적절한 삼투압을 유지하는 것이 건강에 매우 중요하기 때문입니다.

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이렇게 몰농도와 삼투압 몰농도에 대해 알아보았습니다.

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1. 당량

  ▣ 당량은 영어로 equivalent weight 이다.

       즉, 당량의 량(量)은 weight 인 질량을 말한다.

       당량은 질량의 개념이다.

  ▣ 화학반응에서 당량은 아래 3분야에서 사용된다.

      ① 원소의 당량

      ② 산, 염기의 당량

      ③ 산화제, 환원제의 당량

  ▣ 이 중에서 가장 기본적인 원소의 당량에 대해 알아 보자.

       원소의 당량은 다음 식으로 나타낸다.​​

   ⊙ 여기서, 원자량은 탄소의 원자량을 12로 했을 때 다른 원소들의 상대적인 질량을 말한다.

       상대적인 값이므로 원자량의 단위는 없다.

       ex : C = 12,       H = 1,       O = 16,        N = 14

   ⊙ 원자가는 원소의 화학적 특성으로 '반응할 수 있는 최외각 전자수'라고 할 수 있다.

      ex :   H = 1,        O = 2,       C = 4,         N = 3

  이제 산소의 당량을 알아 보자.​

이제, 공식처럼 외우기 전에 당량의 숨은 의미를 알아 보자.

산소를 예로 든다면 원자상태에서 불안정한 산소원자가 화학반응을 할 때

안전한 비활성기체인 Ne (원자번호 10) 처럼 되기 위해서 보통 전자 2개가 필요한데,

당량의 개념은 반응에 참여하는 전자수 1개 기준으로 정의된 질량을 말한다.

즉, 산소원자 1개가 전자 1개와 결합할 때 필요한 산소원자의 원자량이 원소의 당량인 것이다.

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1. 퍼센트 (%) 농도

  ▣ 용액의 질량과 용질의 질량을 알 때 퍼센트(%) 농도를 사용한다.

       퍼센트 농도의 단위는 백분율 [%] 이다.​

  ▣ 퍼센트 농도는 부피에 관계없는 값이므로 온도나 압력이 바뀌어도 농도가 바뀌지 않는다는 장점이 있고,

       계산이 매우 쉬운 편이다.

  ▣ 그렇지만 용질의 종류마다 분자량이 다름에도 불구하고 단순히 질량만을 고려하기 때문에 입자 수에 대한 비교가

        어렵다.

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2. 몰 농도 (M)

  ▣ 온도가 일정할 때 사용하며 용액의 부피 대비 용질의 몰 수로 나타낸다.

       기호로는 M을 사용하며, 액체의 경우 부피 측정이 질량 측정 보다 용이하므로 몰 농도를 사용한다.​​

     실험실 등에서는 용량 몰농도에 의한 표시가 가장 널리 사용된다.

3. 노르말 농도 (N)

  ▣ 규정농도 · 당량농도라고도 하며, 용액 1ℓ 속에 녹아 있는 용질의 g 당량수로 나타낸다.

       기호로는 N으로 표시하며 산 · 알칼리의 중화반응 또는 산화제와 환원제의 산화 · 환원 반응의 계산 등에 사용한다.

    ⊙ 노르말 농도 = 몰 농도 × 가수 (당량수 (eq/mol))

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4. 몰랄 농도 (m)

  ▣ 몰랄 농도는 라울의 법칙이나 삼투압 측정 등에 사용된다.

        기호로는 m을 사용하며 온도에 따라 농도가 변하지 않아야 하는 경우에 사용된다.​​

※ 용매, 용질, 용액

◈ 용매 : 녹이는 물질

◈ 용질 : 녹아 들어가는 물질

◈ 용액 : 서로 다른 순물질이 균일하게 섞여 있는 혼합물

☆ M (몰 농도)× V (부피) = mole(몰수)

1. 펌프의 분류

가. 원심펌프 (Centrifugal pump)

  ▣ 원심펌프는 Vane (Blade)이 달린 임펠러 (Impeller)가 밀폐된 케이싱 (Casing)내에서 회전함으로써 발생하는 원심력을

       이용하여 비압축성 유체를 이송하거나 압력을 높여 주는 회전기기이다.

  ▣ 원심펌프에서 유체를 이동시키는 원력력은 압력이다.

 <원심펌프의 원리>

   ① 유체는 Impeller 중심에서 강제로 유입된다.

   ② 베인 (Vane)을 따라 반지름 방향으로 흐르는 사이에 유체는 운동에너지를 얻는다.

   ③ 유체가 볼류트 (Volute)를 통과하는 사이에 운동에너지가 압력에너지로 변환된다.

  ▣ 축류 펌프는 다수 (보통 3~5)의 깃을 가진 회전차를 동력장치에 직접 연결하여 작은 용량으로 큰 유량을 수송할 수

       있게 설계된 펌프이다.

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다. 왕복펌프 (Reciprocating pump)

   ▣ 왕복펌프는 펌프를 구성하고 있는 피스톤 등의 왕복운동에 의해 실린더 내를 진공에 가까운 압력상태로 만들어 낮은

        곳에 있는 물을 흡입하고 여기에 압력을 가하여 필요한 거리로 수송하는 설비를 말한다.

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2. 펌프의 양정 및 동력

  ▣ 펌프의 전양정 = 흡입양정 + 토출양정 + 관내 마찰손실수도

    ⊙ 펌프의 실양정 = 흡입양정 + 토출양정

가. 펌프 양정의 구성

  ① Weisbach - Darcy의 마찰손실 공식​​

     여기서, △h : 배관의 마찰손실수두 (mAq),             f : 관의 마찰손실계수

                  L : 배관의 길이 (m) U : 유속 [m/sec]          D : 배관의 직경 [m] g : 중력가속도 (9.81 m/sec2)

      ∴ 압력손실수두 : P = γh 를 적용시키면​​

  ② 하젠 - 윌리암스의 식​

      여기서, △P : 마찰손실압력 (kgf / ㎠),        Q : 유량 (ℓ/min, lpm),           D : 관경 [㎜]

                   L : 배관의 길이 (linear 및 상당길이의 합),         C : 관벽의 조도에 의한 계수

  ③ 흐름에서의 미소손실 : 관이 휘어지거나 관의 중간에 엘보(elbow), 조인트 (joint), 밸브 (valve) 등과 같은 부속들을 사용

                  하여 관에서의 단면의 형태가 변화되는 곳에서 발생하는 손실을 미소손실이라고 한다. 미소손실에 의한 손실

                  수두 HL은 다음과 같다.​

          여기서, HL : 손실수두,        K : 미소손실수두계수,      U2/(2g) : 속도수두

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나. 펌프 소요동력의 산출

  ▣ 힘(F)은 질량(m)에 가속도(g)가 가해진 값이며, 일(W)은 힘(F)에 거리 변화가 발생한 값과 같다.

       또한 동력은 일(W)을 시간으로 나눈 값과 같은 의미를 가진다.

       그러므로 유체를 수송하는 펌프의 동력값에 대해 살펴보면 다음과 같이 나타낼 수 있다.​

  ▣ 펌프의 효율이 η이고 축동력 전달계수를 K라고 하면 펌프의 동력값은 다음과 같다.​

     여기서, P : 동력(kW),          Q : 정격 토출량 (㎥/min),              H : 양정 (유체 이송 높이) [m]

                   η : 펌프의 효율,     K : 축동력 전달계수 (보통 1.1을 사용)

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3. 펌프에서 발생하는 현상

가. 공동현상 (cavitation)

  ▣ 액체 속을 고속도로 움직이는 물체의 표면은 액체의 압력이 저하하는데, 이 때의 압력이 액체의 포화 증기압 보다 낮아

       진 범위에 증기가 발생하거나 액체 속에 녹아 있던 기체가 나와서 공동현상을 이룬다.

       이것은 수력터빈이나 선박용 프로펠러를 운전할 때 자주 발생하는 현상으로 압력 면에 발생하는 경우도 있지만,

       주로 날개의 등 부분에 발생한다. 발생한 기포는 압력이 높은 부분에 이루면 급격히 부서져 소음이나 진동의 원인이

       되며, 터빈이나 프로펠러의 효율을 떨어뜨린다.

  ① 발생원인

     ㉠ 펌프 임펠러 깃에서 물의 압력이 포화증기압 이하로 내려가면 증발하여 기포가 발생한다.

     ㉡ 펌프의 흡입측 낙차가 클 경우

     ㉢ 이송하는 유체가 고온일 경우

     ㉣ 펌프의 마찰손실이 클 경우

     ㉤ 임펠러 속도가 지나치게 클 경우

  ② 발생현상

     ㉠ 소음과 진동이 발생한다.

     ㉡ 펌프의 성능 (토출량, 양정, 효율)이 감소한다.

     ㉢ 임펠러 (Impeller)의 침식이 발생한다.

     ㉣ 심하면 양수불능상태가 된다.

  ③ 방지대책

     ㉠ 펌프 내에서 포화증기압 이하의 부분이 발생하지 않도록 조치한다.

     ㉡ 펌프의 설치위치는 가능한 낮게 한다.

     ㉢ 펌프의 회전수를 낮추고, 흡입 비속도를 크게 한다.

     ㉣ 펌프의 마찰손실을 작게 한다.

     ㉤ 펌프의 유량을 줄이고 양흡입펌프를 사용한다.

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나. 수격 작용 (Water hammering)

  ▣ 관 내를 흐르고 있는 물의 유속이 바뀌면 유체의 운동에너지가 압력에너지로 변하여 관내 압력이 상승하게 되어 배관

       과 펌프에 손상을 주는 현상으로 수격작용은 펌프의 운전중은 물론이고 펌프가 정지될 때도 발생할 수 있으므로 대용

       량인 펌프와 배관이 길어지는 경우에는 적절한 대비책이 있어야 한다.

  ① 발생원인

     ㉠ 정전 등으로 갑자기 펌프가 정지할 경우

     ㉡ 밸브를 급히 개폐할 경우

     ㉢ 펌프의 정상운전시 유체의 압력 변동이 있는 경우

  ② 발생현상

     ㉠ 압력상승에 의해 펌프, 밸브, 플랜지, 관로 등 여러 기기가 파손된다.

     ㉡ 압력강하에 의해 관로가 압괴하거나 수주분리가 생겨 재결합시에 발생하는 격심한 충격파에 의해 관로가 파손된다.

     ㉢ 소음과 진동의 원인이 된다.

     ㉣ 주기적인 압력변동 때문에 자동제어계 등 압력을 컨트롤하는 기기들이 난조를 일으킨다.

  ③ 방지대책

     ㉠ 관경을 굵게 하여 가능한 한 유속을 느리게 한다.

     ㉡ 펌프 회전축에 플라이휠(Flywheel)을 설치하여 펌프의 급속한 속도변화를 방지한다.

     ㉢ 펌프의 토출측에 조압수조(Surge tank) 또는 수격 방지기(water hammering cusion)를 설치한다.

     ㉣ 유량조절 밸브를 펌프 토출측 직후에 설치하고 적당한 밸브 제어를 한다.

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다. 맥동현상 (Surgeing)

  ▣ 펌프의 운전중에 압력계기의 눈금이 어떤 주기를 가지고 큰 진폭으로 흔들림과 동시에 토출량은 어떤 범위에서 주기적

       으로 변동이 발생하고 흡입 및 토출 배관의 주기적인 진동과 소음을 수반한다. 이를 맥동(Surging)현상이라 한다.

  ① 발생원인

     ㉠ 펌프의 H - Q 곡선이 오른쪽 상승부에서 운전 시

     ㉡ 펌프의 토출관로가 길고, 배관 중간에 수조 또는 기체가 존재 시

     ㉢ 수조 또는 기체상태가 잇는 부분의 하류측 밸브에서 토출량을 조절 시

  ② 발생현상

     ㉠ 흡입 및 토출 배관에 주기적인 진동과 소음이 발생한다.

     ㉡ 한번 발생하면 그 변동주기는 비교적 일정하고, 송출밸브로 송출량을 조작하여 인위적으로 운전상태를 바꾸지 않는

          한 이 상태가 지속된다.

  ③ 방지대책

     ㉠ 펌프의 H - Q 곡선에 오른쪽 하향구배 특성을 가진 펌프를 채용한다.

     ㉡ 회전차나 안내깃의 형상 치수를 바꾸어 그 특성을 변화시킨다.

     ㉢ 바이패스관을 사용하여 운전점이 펌프 H-Q 곡선의 오른쪽 하향구비 특성 범위 위치에 오도록 한다.

     ㉣ 배관 중간에 수조 또는 기체 상태인 부분이 존재하지 않도록 배관한다.

     ㉤ 유량조절밸브를 펌프 토출측 직후에 위치시킨다.

     ㉥ 불필요한 공기탱크나 잔류공기를 제어하고, 관로의 단면적, 유속, 저항 등을 바꾼다.

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1. 층류와 난류

 가. 층류

   ① 평균 유속에 정비례한다.

   ② 흐름이 닿은 벽면의 조도에 거의 관계 없다.

   ③ 유체의 점성계수 (μ)에 정비례하므로 온도에 의해 많은 영향을 받는다.

나. 난류

   ① 평균 유속의 약 2제곱에 비례한다.

   ② 흐름에 접하는 벽면의 조도에 의해서 크게 다르다.

   ③ 유체의 점성계수 (μ)에 영향을 받으나 층류의 경우처럼 심하지는 않다.

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2. 레이놀즈의 수

  ▣ 레이놀즈는 실험을 통하여 층류, 난류의 구분이 속도 (U)에 의해서만 결정되는 것이 아니고 유체의 점성계수(μ), 밀도

       (ρ), 관의 관경 (d)에도 관계됨을 알았다. 이들 변수에 의한 무차원함수를 정의하였는데

       이 함수를 레이놀즈수 (Re)라 부르며, 이에 대한 일반식은 다음과 같다.

           여기서, ρ : 유체의 밀도, U : 유체의 특성속도, L : 특성길이

                        μ : 유체의 점성계수, v : 유체의 동점성계수

  ▣ 무차원수인 Re가 작을 때의 흐름은 층류이며, Re가 커지면 난류로 변하는데

       이 때의 천이점의 Re를 임계 Reynolds 수 (Critical Reynold's number) Rec라고 한다.

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3. 바이스바흐 - 달시 (Weisbach - Darcy)의 식

  ▣ 다음 그림과 같은 내경 d인 관로속을 평균 유속 V로 유체가 흐르고 있을 때 임의의 거리 l 만큼 떨어진

       두 점의 압력을 p1, p2라 하면 유체의 마찰에 의한 압력손실 hL은 다음 식으로 표시된다.

   ▣ 바이스바흐 - 달시의 유체마찰손실

    이를 Weisbach-Darcy 의 식이라 부르고, λ를 관 마찰계수라 부른다.

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4. 관 마찰계수의 실용식

  ▣ 보통의 철관 등에 있어서는 관벽 돌기의 간격이 다르거나, 또는 작은 돌기 사이에 큰 것들이 섞여 있는

       경우가 많기 때문에 관마찰계수는 다음 Mises의 실험식으로 구한다.​

    ▣ Scobey의 실험식은 다음과 같다.​

      여기서, d의 단위는 m이고, 콘크리트관에 적용하며, 정수 c의 값은 다음과 같다.

       ⊙ 내면이 매끈한 콘크리트관 : c = 0.156

       ⊙ 연결된 콘크리트관으로서 수년간 사용한 것 : c = 0.218

       ⊙ 특히 조심성 없이 연결된 관 : c = 0.029

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5. 원관(둥근관) 이외의 관 마찰

  ▣ 단면이 원형이 아닌 관의 관마찰을 생각할 경우에는 관의 단면적을 A, 그 단면의 젖은 길이를 lw, 관의

       길이 l 사이의 압력손실을 △p, 관 단면의 평균유속을 V라 하고, 흐름은 관측과 평행인 것으로 생각하여

       관벽의 평균 횡응력 τ 를​​

     v는 수두손실이 생기는 곳의 영향을 받지 않는 단면에 있어서의 평균유속이고, 손실이 생기는 곳의 전후에

      평균유속이 변화할 대 일반적으로 큰 쪽의 유속을 사용한다.

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 가. 관로가 급히 넓어질 때 (급확대관)

   ▣ Borda - Carnot의 수두 손실

 나. 관로가 급속히 좁아질 때 (급속축소관)​​

 다. 밸브(valve)와 콕(cock)에 의한 손실

   ▣ 관로 속의 유량 또는 흐름의 방향을 제어 (control)하기 위하여 각종 밸브가 사용되는데, 그 손실수두는 밸브가 달린

        부분에서 흐름의 단면적이 변화하기 때문에 생기며, 그 크기는

      으로 표시된다. 단, V는 관로 속에서 밸브의 영향을 받지 않는 곳에서의 평균유속이다.

  ① 슬루스 밸브 (sluice valve) : 슬루스 밸브에 있어서는 주로 밸브 선단의 직후에 있어서 흐름의 단면적이 급속히 확대됨

                                                     으로 인하여 수두손실이 생긴다.

  ② 글로브 밸브 (globe valve) : 다음 그림의 글로브 밸브에 있어서도 x/d1이 커질수록 ζ는 작아지지만 완전히 열었을 때

                                                    도 ζ는 6 ~ 8의 값을 가진다.

  ③ 너비 너트 밸브 (Butterfly valve) : 이 밸브에 있어서는 밸브만의 경사각 θ 가 커지면 밸브 직후의 단면적의 급증이

                                                              현저해져서 손실계수 ζ가 커진다.

                                                              원형 나비 너트 밸브에서 θ = 0 일 때는 다음과 같다.

               이다. 단, t, dy는 밸브 원관 (둥근관)의 두께와 지름이다.

  ④ 콕 (cock) : 콕에 있어서도 각 θ 의 증가와 함께 흐름의 단면적의 변화가 현저해지고, 손실계수  ζ 는 커진다.

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1. 기본량의 단위계와 차원

2. 중력단위와 절대단위의 차원비교

3. 압력 환산인자

4. 점도의 단위​​

5. 점도의 종류

6. 비압축성 유체와 압축성 유체

 가. 비압축성 유체

   ① 액체는 보통 비압축성 유체

   ② 물체 (굴뚝, 건물 등) 둘레를 흐르는 기류

   ③ 달리는 물체 (자동차, 기차 등) 주위의 기류

   ④ 저속으로 나는 항공기 둘레의 기류

   ⑤ 물속을 주행하는 잠수함 둘레의 기류

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 나. 압축성 유체

   ① 기체는 보통 압축성 유체

   ② 음속 보다 빠른 비행체 주위의 공기 흐름

   ③ 수압철관 속의 수격 작용

   ④ 디젤엔진에 있어서 연료 수송관의 충격파

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7. 단위와 차원

 가. 힘의 단위​

 나. 일의 단위​

 다. 동력의 단위​

9. 1차원 정상류의 연속방정식

  ▣ 질량 보존의 원리를 적용하여 연속방정식을 구할 수 있다.

  ▣ 평균속도, 밀도, 단면적을 각각, V1, V2, ρ1, ρ2, A1, A2 라 하면 단위시간에 단위면적을 통과하는 유체

       질량은 같으므로​

  ▣ 여기서 m 을 질량 유량 (mass flowrate)이라 하고, 이 식의 미분형은 다음과 같다.

          d (ρ ·A·V) = 0 ------ 식2

    그러므로, 연속방정식은​

   비압축성 유체이면 ρ = 일정이므로 위의 식은 다음과 같이 변형할 수 있다.​

10. 중량 유량과 체적 유량

  ▣ 압축성 유체의 정상흐름에서는 유관의 모든 단면을 통과하는 질량 유량 (또는 중량 유량)이 일정하고,

       비압축성 유체의 정상흐름에서는 유관의 모든 단면을 통과하는 체적 유량이 일정하다.​

     여기서, G = 중량유량 (weight flowrate)

     만약, 비압축성 유체라면

11. 오일러 운동방정식

  ▣ 유선 또는 미소단면적의 유관을 따라 움직이는 비점성 유체의 요소에 뉴턴의 운동 제2법칙을 적용하여

       얻은 미분방정식을 오일러 (Euler)의 운동방정식이라 한다.

 ▣ 오일러의 운동방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.​

12. 베르누이 방정식

  ▣ 베르누이 방정식은 유체역학적인 에너지 보존법칙이며, 일반적인 흐름에 적용가능하고 비점성 유체에

       적용가능한 오일러의 운동방정식에 몇 개의 가정조건을 대입함으로써 얻을 수 있다.

  ▣ 실제 관로에서 유체의 마찰을 고려한 수정 베르누이 방정식은 다음과 같다.​

#차원 #단위 #질량 #속도 #중력가속도 #비중량 #뉴턴 #점도 #유체 #압축성 #베르누이 #오일러 #연속방정식

1. 가역반응과 비가역 반응

가. 가역반응​

  ▣ 정반응(반응물에서 생성물)과 역반응(생성물에서 반응물)이 모두 일어나는 반응

나. 모든 화학반응 : 원론적으로 가역반응

다. 비가역 반응

  ▣ 역반응이 너무 느리거나 조금 일어나서 정반응만 일어나는 것 처럼 보이는 반응

  ※ 실제 화학반응은 동적 평형 상태이다. 실제 반응은 계속 일어나고 있는데 정반응과 역반응의 속도가 같아서 반응이

       일어나고 있지 않는 것 처럼 보이는 것 뿐이다.

​

나. 포화용액의 동적 평형

   ▣ 포화용액의 동적 평형은 다 녹지 못한 용질과 용해된 물질 사이에 계속하여 왔다 갔다하는 상태를 말한다.

​

다. 포화용액의 동적 평형의 예시

  ▣ N2O2 와 NO2 실험의 예를 많이 드는 이유는 색깔이 무색과 갈색으로 뚜렷하기 때문이다.

       무색인 비어커는 N2O2 만 있다는 것이고 갈색이 짙어진다는 것은 NO2 가 생긴다는 것이다.

       평형상태는 반응물의 농도와 생성물의 농도가 같아지는 상태를 말한다.

  ▣ 평형은 초기에 반응물 또는 생성물만 있어도 도달이 가능하며 초기에 반응물과 생성물의 혼합물이 있는 경우에도 상관

       없이 평형상태에 도달한다. 평형상태에는 반응물과 혼합물이 함께 있는 상태이다.

3. 평형상수

가. 평형

  ▣ 정방향과 역방향 반응속도가 동일하게 진행되는 상태를 말한다.

  ※ Kc 를 평형상수라고 부를 수 있는 이유는 반응물 농도와 생성물의 농도는 변하지 않으 므로 일정한 값이 된다. 분모는

      반응물 농도, 분자는 생성물 농도이며 물질의 계수는 차수로 올려 지수가 된다.

      [  ]안은 몰농도이며 몰농도 제곱을 물농도로 나누었는데 단위에 몰농도가 남아있지 않은 것은 몰농도는 단위가 없기

      때문이다. 평형일 때 농도 그 숫자만 사용하기 때문이다.

​

나. 평형 농도를 이용한 평형상수 계산 (실험적 근거)

다. 평형상수 계산

  ▣ 74[℃]에서 이 반응의 Kc = 216 이다.

​

라. 평형상수의 크기로 부터 알 수 있는 사실

마. 불균일 평형

  ▣ 불균일 (heterogeneous) 평형

    ⊙ 가역적 화학반응에서 화학종이 모두 같은 상이 아닐 때의 평형

   ⊙ 평형 상수식에 단위가 없는 이유 : 사용되는 평형 농도가 사실은 농도/1M로 단위를 없앤 값이다.

      (활동도)

   ⊙ 순수한 고체나 액체의 경우 농도의 변화가 없으므로 활동도 = 1 로 한다.

   ⊙ 평형 상수식의 평형 농도 자리에 순수한 고체나 액체는 "1"을 사용하는 것이므로 식에 나타나지 않는다.

      ※ 위 화학반응식에서 기체와 고체가 만나서 기체가 되는 반응인데 이렇게 상이 다른 반응에서의 평형을 불균일 평형이

           라고 한다.

  ▣ 금속의 이온화 경향 : 금속물질이 전자를 잘 버리는 정도

               K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb

               H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

​

바. 평형상수의 변형

4. 농도평형상수(Kc)와 압력평형상수(Kp)

가. 압력평형상수 (Kp)

  ▣ 반응물과 생성물이 모두 기체일 때 몰농도를 측정하는 것 보다 기체의 부분압력(atm)을 측정하는 것이 훨씬 간단하다.

    ⊙ 이 때에도 단위는 생략하며 실제로 평형상수식에 사용되는 기체의 부분압력은 기체의 압력 / 1atm 인 활동도 값이다.

나. 농도평형상수(Kc)와 압력평형상수(Kp) 사이의 변환

    ※ 일반적인 경우 압력 평형상수는 농도 평형상수에 RT의 델타n승의 곱으로 표현한다.

5. 평형상수의 응용

가. 평형상수를 이용한 평형농도 계산

 [농도 계산 절차]

  1. 반응표를 만들고 초기 농도를 표시 (농도가 0인 것도 표시)

  2. 소모되는 특정 화학종의 양을 x로 두고 반응의 화학양론을 이용하여 다른 반응물과 생성물의 농도 변화량을 x를

      사용하여 표시

  3. 평형에 있는 각 화학종의 평형농도를 물질의 초기 농도와 x를 사용하여 표시

  4. x를 구하기 위해 3에서 구한 평형 농도를 평형 상수식에 대입

  5. 계산된 x값을 이용하여 평형에 존재하는 모든 화학종의 농도를 결정

  [풀이]

   가장 중요한 단계 : 반응표 쓰기 !!

[평형상수를 이용한 평형농도 계산]

[평형상수를 이용한 평형농도 계산]

[풀이]

나. 열 화학식

  ▣ 물질이 화학변화를 일으키는 경우에는 열을 방출하거나 흡수한다.

       이 열의 출입을 나타낸 식을 열 화학반응식이라 한다.

   ① 발열반응 : 발열반응이 클수록 생성되기 쉽고 안정하다.

   ② 흡열반응 : 흡열반응을 일으키기 위해서는 계속 열을 가해야 하며, 반응이 일어나기 힘들다.

   ③ 반응 엔탈피 (enthalpy of reaction) : 어떤 물질이 생성되는 동안 그 물질 속에 축적된 에너지를 말한다. 화학반응에서

                                                                 열효과란 생성물질의 엔탈피와 반응물질의 엔탈피간의 차이이다.

       △ H = 생성물질의 엔탈피 - 반응물질의 엔탈피

다. 헤스의 법칙

  ▣ 화학반응 전 물질의 종류와 상태, 반응 후 물질의 종류와 상태가 결정되면 중간 반응이 어떤 단계로 일어나든 발생하는

       열량, 또는 흡수하는 열량의 총합은 같다. 이를 헤스의 법칙이라 한다.

2. 반응속도

가. 반응 속도

  ▣ 화학반응이 얼마나 빨리 일어나는지를 양적으로 취급할 때 이 빠르기를 반응속도라고 하는데, 반응속도는 온도, 농도,

       압력, 촉매, 작용하는 물질의 입자 크기, 빛, 전기, 교반, 효소 등에 따라 달라진다.

<참고> 반응 속도

  ◈ 단위시간에 감소 또는 증가한 물질의 농도로 표시

       금속과 산과의 반응에서 금속은 양으로 (g수), 산은 농도로 나타낸다.

나. 반응속도에 영향을 주는 요소

  ① 농도 (농도 표시 → [ ]) : 일정한 온도에서 반응물질의 농도(몰/ℓ)가 클수록 반응속도가 커지는데, 반응속도는 반응하는

                                             순간에 반응물질의 농도의 곱에 비례한다.

  ② 반응속도와 온도 활성화 에너지 : 온도를 상승시키면 반응속도는 증가한다. 일반적으로 수용액의 경우 온도가 10℃

                                             상승하면 반응속도는 약 2배 증가하고, 기체의 경우는 그 이상이다.

  <참고> 온도가 상승할 수록 반응속도가 커진다.

              열을 가하여 온도를 높게 하면 활성화하는 분자의 수가 증가하기 때문에 반응속도는 그만큼 커진다.

다. 반응속도와 촉매

  ▣ 촉매는 자신은 변화하지 않고 반응속도만을 증가시키거나 혹은 감소시키는 물질이다.

    ① 정촉매 : 반응속도를 빠르게 하는 촉매

    ② 부촉매 : 반응속도를 느리게 하는 촉매

        ex : 2H2O2 → 2H2O + O2

  <참고> 정촉매 → 활성화 에너지 낮아짐 → 반응속도 증가

               부촉매 → 활성화 에너지 높아짐 → 반응속도 감소

  <참고> 가역반응

  ◈ 조건의 변화로 정 · 역 방향으로 진행하는 반응

       온도나 농도, 압력 등의 조건 변화에 따라 반응이 정 · 역 어느 방향으로도 진행되는 반응을 가역반응이라 한다.

​

3. 반응속도와 화학평형

  ▣ 화학반응이 일어나면 반응이 진행됨에 따라 반응물질의 농도 감소가 처음에는 빨리 일어나다가 점점 천천히 일어난다.

       어느 시간에 이르러서는 더 이상 감소하지 않게 되는 상태가 되는데 이러한 상태를 정반응과 역반응의 속도가 같은

       상태, 즉, 화학평형상태(Chemical equilibrium state)라 한다.

  ▣ 화학 평형상태의 계를 이루고 있는 생성물과 반응물의 상대적 비율을 결정하기 위해 다음의 일반적 반응식을 생각해

       보자.

    A와 B를 한 용기에 혼합하고 시간에 따른 A, B의 농도를 측정하여 다음 그림에 나타내었다.

여기서, [A], [B], [C], [D]는 각 물질의 농도를 나타낸다.

이들은 시간 te 에서 변화없이 일정한 값을 보인다.

이 상태를 화학적 평형에 도달했다고 한다.

위 반응에서 C와 D가 생성되는 정반응과 A와 B가 생성되는 역반응의 속도는 각각 다음과 같다.

kf와 kr 은 정반응 속도정수, 역반응 속도 정수를 나타낸다.

정반응과 역반응의 속도가 같은 상태를 화학평형상태라 하고 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

화학평형 상태에서 생성물과 반응물의 농도는 kf 와 kr의 비에 의하여 결정되는 이 값을 평형상수 Kc 라고

한다. 이 관계는 질량작용의 법칙이라고 하며, 이 식을 질량작용식이라 한다.

4. 압력으로 나타낸 평형상수

  ▣ 기체의 농도는 그 물질의 분압으로 나타낼 수 있다.

       따라서, 기체의 화학반응에서의 평형상수도 기체의 농도 대신 분압으로 표시할 수 있다.

       평형상수와 구분하기 위해 농도에 대한 평형상수를 Kc, 압력에 의한 평형상수를 Kp로 표시한다.

       예를 들어 다음 반응의 평형상수는

  로 나타낸다.

  이 때, PNH3, PN, PH2 는 평형상태를 유지하는 NH3, N2, H2의 분압이다.

  여기서, △n 은 생성물의 몰수 - 반응물의 몰수이다.

  생성물과 반응물의 몰수가 같으면 △n = 0 으로 Kc 와 Kp는 같은 값을 보인다.

5. 르 샤틀리에 (Le Chatelier)의 원리

  ▣ 평형계의 조건인 온도와 압력이 변화하면 그 평형계는 어떻게 될까 ?

       1884년 Le Chatelier는 평형에 이른 계가 외부에서 교란을 받으면 그 교란을 없애려는 방향으로 반응하여 새로운 평형

        상태에 이른다고 설명하였다.

        -이를 Le Chatelier의 원리라 한다.

​

가. 농도 변화

  다음의 계가 평형을 이루었다고 하자.

  반응물이나 생성물의 농도를 조금이라도 변화시키면 이 평형이 깨진다.

  예를 들면 H2 농도를 증가시키면 평형이 깨지고 다시 새로운 평형을 이루기 위해 H2의 농도를 감소시키는 방향,

  즉 오른쪽으로 반응이 진행된다. H2가 소모됨으로써 HI가 더 생성되어 처음의 평형상태에서의 HI 농도 보다 더 증가하게

  된다. 이 때 평형의 위치가 오른쪽으로 이동하였다고 한다.

​

나. 온도 변화

  평형 상수는 온도함수이다.

  그러므로 온도가 변하면 평형의 위치도 변하고 평형상수값 자체도 영향을 받는다.

  다음의 발열반응 예를 보자.

     3H2(g) + N2(g) ↔ 2NH3 (g) + 22.0 kcal

  이 계가 평형에 이르렀을 때 온도를 가해 주면 평형은 깨지고 가해진 열의 일부를 소모하는 방향으로 반응이 진행된다.

  그러므로 흡열변화를 일으켜 NH3의 분해 반응이 진행된다.

  따라서 발열반응의 경우 계의 온도를 높이면 평형의 위치는 왼쪽으로 이동한다.

  NH3의 농도는 작아지고 N2와 H2의 농도가 커지므로​​

  Kc 의 값은 식에 따라 작아진다.

​

다. 압력 변화

6. 산의 이온화 평형

  ▣ Arrhenius의 산은 물과 반응하여 수소 이온과 짝염기 이온을 만든다.

      이 과정을 산이온화 또는 산해리 (acid ionization or acid dissociation)라 한다.

강한 산이라면 용액에서 완전히 이온화되고 이온의 농도는 산의 처음 농도로 부터 화학양론적인 반응으로

결정된다. 그러나 약한 산은 용액에서 이온의 농도를 구할 때 그 산의 이온화에 대한 평형 상수인 산이온화

(해리) 상수로 결정된다.

약한 1가의 산 HA를 예를 들어 보자.​

산의 이온화에 대한 평형상수 (또는 산이온화 상수) Ka 는 아래와 같다.​

주어진 온도에서 산 HA의 세기는 Ka가 크면 클수록 산의 세기는 더욱 크고 결국 그것은 산의 이온화 때문

에 평형에서 H+ 이온의 농도가 더 크다는 것을 의미한다.

약한 산의 이온화는 결코 완전할 수 없기 때문에 모든 화학종 (이온화되지 않은 산, 수소이온 및 A- 이온)이

평형에서 존재한다.

​

7. 용해도 곱

  ▣ 염의 포화 용액을 만들면 이온과 용기 밑바닥에 있는 녹지 않은 고체 사이에 동적평형이 이루어진다.

       염화은의 포화 용액에서 평형을 이루고 있다고 가정하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.​

이 상태에 대한 평형상수는 다음과 같다.​​

순수한 고체 농도는 존재하는 고체의 양과는 무관하다. 즉, 고체의 농도는 일정하며 상수 K 속에 포함시킬

수 있다. 따라서, 평형 상수 K에 고체 AgCl의 농도를 곱한 것은 여전히 상수이며, 이것을 Ksp로 표시하고

용해도를 상수라고 부른다.

      K [AgCl (s)] = Ksp = [Ag+] [Cl-]

Mg(OH)2와 같이 녹지 않는 고체의 경우에는 해리평형의 계수가 전부 1이 아니다.​

용해도 곱 상수는 포화 용액에서의 이온농도들을 해리반응식의 화학양론적 계수 만큼 거듭 제곱한 다음

서로 곱해 준 것과 같다.

포화용액은 이온 곱, 즉 알맞게 제곱승한 이온농도들의 곱이 엄밀하게 Ksp와 같을 때만 존재할 수 있다.

이온곱이 Ksp 보다 작을 때는 이것과 같아질 때까지 더 많은 염이 녹아서 이온농도를 증가시키므로

불포화 용액이다. 반면에 이온곱이 Ksp 보다 클 때는 이온농도를 낮추려고 염의 일부가 침전되며 이를

과포화 용액이라 한다.

​

#반응속도 #화학평형 #열화학반응식 #헤스의법칙 #촉매 #열량 #가역반응 #정촉매 #부촉매

#르샤틀리에 #평형상수 #용해도곱 #이온화평형

1. 방향족 화합물

가. 벤젠

  ▣ 벤젠 구조의 표현방법은 공명구조이론에 의한 것이다.

       벤젠에는 2종류의 기여구조 (寄與構造)가 있고 그것들이 공명혼성체 (resonance hybrid)로 된다.

       따라서 Kekule의 구조식은 그 한쪽만을 나타내고 있고 실제의 구조식은 π 전자가 6개의 탄소 사이에

       비편재화 (delocalization)된 π결합으로 되어 있는데 보통 다음과 같은 구조식을 사용한다.

  ▣ 즉, 6개의 수소원자는 등가 (等價)이고 6개의 탄소 - 탄소 원자간의 거리도 각각 1.40 A 이며, σ 결합의 거리 1.54 A과

       π결합의 1.33 A의 거의 중간치이다.

       이 구조를 통하여 1, 2 dichlorobenzene이 1개 종류 밖에 존재하지 않는 이유도 이해된다.

 나. 방향족 화합물의 명명법

   ① 치환벤젠의 명명법 : 벤젠의 6개의 탄소원자가 등가이어서 1 치환 벤젠에서는 그 치환위치를 나타낼 필요가 없고 치환

                                         기의 명칭 뒤엔 'qpswps ( - benzene)'을 붙이면 된다.

        또한, 방향족 탄화수소에는 많은 관용명이 사용되고 있으며, 그 예는 다음과 같다.

    ▣ 관용명으로 불리는 2치환 벤젠의 예는 다음과 같다.

다. 다치환 벤젠의 명명법

<벤젠형 방향족 화합물 및 그 성질>

2. 지방족 탄화수소의 유도체

가. 알코올류 (R-OH)

​

  ① 알코올의 분류

  ② 주요 알코올

    ㉯ 2차 알코올의 산화

       ▣ 2차 알코올 산화시키면 케톤이 된다.

나. 에테르류 (R - O - R')

  ▣ 산소원자에 2개의 알킬기가 결합된 화합물이다.

      디메틸에테르 [CH3OCH3 (b.p. -23.7℃]와 디에틸에테르 [C2H5OC2H5 (b.p. 34.6℃]의 두가지가 있다.

  ① 제법 : 알코올에 진한 황산을 넣고 가열한다.

  ② 일반적 성질

    ㉮ 물에 난용성인 휘발성 액체이며, 인화성 및 마취성이 있다.

    ㉯ 기름 등 유기물을 잘 녹인다. (유기 용매)

    ㉰ 수소원자를 알킬기로 치환한다.

        ex : (C2H5)2O [에틸에테르]

               C2H5OCH3 [에틸메틸에테르]

    ▣ 보통 사용하고 있는 에테르는 디에틸에테르로서 단지 에테르라고 부르기도 한다.

  ③ 용도 : 용매, 마취제로 사용된다.

​

  예제 : 다음 중 에테르의 일반식은 어느 것인가 ?

     ① R - O - R         ② R - CHO          ③ R - COOH           ④ R - CO - R

    [풀이] R - O - R (C2H5OC2H5) 답 : ①

​

다. 알데하이드류 (R - CHO)

  ▣ 알데하이드는 일반적으로 R - CHO로 표시되고 (R은 알킬기) 원자단 - CHO를 알데하이드기라고 한다.

  ① 알데하이드기 (-CHO)는 산화되어서 카르복실기로 되는 경향이 강하므로 일반적으로 강한 환원성을 가지고 있다.

       이 경우에 알데하이드는 카르복시산으로 된다.

  ② 펠링 용액을 환원하여 산화 제1구리의 붉은 침전 (Cu2O)을 만들거나 암모니아성 질산은 용액을 환원하여 은을 유리

       시켜 은거울 반응을 한다. 알데하이드 검출에 이용한다.

​

라. 케톤 (R - CO - R')

  ▣ 일반적으로 R - CO - R'로 표시되는 (R, R'은 알킬기)물질을 케톤이라 한다. 케톤은 카르보닐기 (>C=O)를 가진 두개의

       알킬기로 연결된 화합물을 말한다. 양쪽에 모두 알킬기로 결합한 카르보닐기를 케톤기라 한다.

    ex : 디메틸케톤 : CH3COCH3, 에틸메틸케톤 : C2H5COCH3, 아세톤 : CH3-CO-CH3

​

마. 카르복시산류 (R - COOH)

  ① 일반적 성질

    ㉮ 유기산이라고도 하며, 유기물 분자 내에 카르복실기 (-COOH)를 갖는 화합물을 말한다.

    ㉯ 알데하이드 (R-CHO)를 산화시키면 카르복시산 (R-COOH)이 된다.

    ㉰ 물에 녹아 약산성을 띤다.

       ex : CH3COOH + H2O = CH3COO- + H3O+

    ㉱ 수소결합을 하므로 비등점이 높다.

    ㉲ 알코올 (R - OH)과 반응하여 에스터 (R - O - R')가 생성된다.

    ㉳ 염기와 중화반응을 한다.

        ex : RCOOH + NaOH → RCOONa + H2O

    ㉴ 알칼리 금속 (K, Na 등)과 반응하여 수소 (H2)를 발생시킨다.

        ex : 2R - COOH + 2Na → 2RCOONa + H2

  ② 용도 : 저급 알코올의 초산 에틸은 좋은 향기를 가지므로 과실 에센스로 사용되며 용매로도 사용된다.

      ex : 초산에틸 (CH3COOC2H5) : 딸기 냄새

             초산아밀 (CH3COOC5H11) : 배 냄새

             낙산에틸 (C3H7COOC2H5) : 파인애플 냄새

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