유속계
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1. 개요
유속계는 액체의 밀도를 측정하는 데 사용되는 장치이다. 부력의 원리를 이용하여 액체의 밀도를 측정하며, 알코올계, 유액계, 당도계, 온도계 내장 비중계, 배터리 비중계 등 다양한 종류가 있다. 유속계는 액체의 알코올 농도, 우유의 순도, 당의 농도, 부동액의 어는점, 배터리의 충전 상태 등을 측정하는 데 사용되며, 토양 분석에도 활용된다.
비중계는 아르키메데스의 원리에 따라 작동한다. 아르키메데스의 원리는 유체 속에 있는 물체가 자신이 밀어낸 유체의 무게와 같은 크기의 부력을 받는다는 것이다.[24] 유체의 밀도가 낮을수록 비중계는 더 깊이 가라앉고, 밀도가 높을수록 덜 가라앉는다. 등유, 휘발유, 알코올과 같이 밀도가 낮은 액체에서는 더 깊이 가라앉고, 소금물, 우유, 산과 같이 밀도가 높은 액체에서는 덜 가라앉는다.[23]
특수 유속계는 사용 목적에 따라 이름이 붙여지는 경우가 많다. 예를 들어, 락토미터는 유제품에 사용하도록 특별히 설계된 유속계이다.
유속계 분석은 실트와 점토처럼 미세한 입자로 이루어진 토양을 분류하는 과정이다. 입자 크기가 너무 작아 체 분석을 사용하기 어려울 때 유속계 분석을 한다. 이 시험은 점성이 있는 액체 속에서 구형 입자가 가라앉는 속도에 대한 스토크스 법칙을 따른다. 낙하 속도는 입자의 지름, 입자와 액체의 밀도에 따라 달라진다.[50]
현대 비중계는 일반적으로 비중을 측정하지만, 특정 산업에서는 다른 눈금이 사용되기도 한다.
2. 역사
유속계의 기원은 기원전 3세기 아르키메데스까지 거슬러 올라간다. 그는 부력의 원리를 이용하여 다양한 액체의 밀도를 측정하는 방법을 고안했다.[1][2] 유속계에 대한 초기 설명은 서기 2세기에 레미니우스가 쓴 라틴 시에서 발견되는데, 그는 유속계 사용을 아르키메데스가 히에로 2세의 왕관의 금 함량을 결정한 방법과 비유했다.[3]
알렉산드리아의 히파티아 (대략 350–370년 출생, 415년 사망)는 전통적으로 유속계와 관련된 최초의 인물로 여겨진다.[3] 키레네의 시네시우스는 편지에서 그의 스승인 히파티아에게 유속계를 만들어 달라고 요청했다.[4]
《아랍 과학사 백과사전》영어에 따르면, 유속계는 11세기에 아부 라이한 비루니가 사용했고, 12세기에 알카지니가 설명했다.[5] 17세기에는 갈릴레오 갈릴레이와 그의 친구들에 의해 재발견되었고, 특히 아카데미아 델 시멘토에서 실험에 사용되었다.[6] 1675년 로버트 보일(그는 '유속계'라는 이름을 만들었다)의 저서에 다시 등장했고,[3] 18세기 후반에는 앙투안 보메 (보메 척도), 윌리엄 니콜슨, 자크 알렉상드르 세자르 샤를에 의해 다양한 형태가 고안되었다.[7] 거의 동시에 벤자민 사이크스가 액체의 알코올 함량을 자동으로 결정할 수 있는 장치를 발견했다. 사이크스 장치의 사용은 1818년 영국 법에 의해 의무화되었다.[8]
3. 원리
일반적으로 고밀도 액체에 사용되는 비중계는 눈금 1.000(물)이 줄기 상단에 가깝게 표시되고, 저밀도 액체에 사용되는 비중계는 1.000이 하단에 가깝게 표시된다. 많은 산업 분야에서는 발생할 수 있는 비중 범위를 측정하기 위해 비중계 세트(1.0–0.95, 0.95–)를 사용한다.[23]
4. 종류 및 용도
부표는 일반적으로 부력을 가진 밀봉된 중공 유리관의 두꺼운 몸통 부분과 이를 안정시키는 납이나 수은 등으로 만들어진 추와 계측용 눈금 종이가 들어간 가는 경부로 구성된다[23]。 시료는 눈금 실린더 등에 부어 넣으며, 부표는 자유롭게 떠오를 때까지 시료 안에 담근다. 액면이 부표의 경부에 닿는 부분은 액체의 상대 밀도와 상관관계가 있다. 부표가 정지한 후, 그 위치를 경부의 눈금으로 읽고, 실무에서는 측정을 몇 차례 반복하여 그 평균값을 취한다[23]。
부표는 아르키메데스의 원리를 활용한 것이다. 유체의 밀도가 낮을수록 규정 무게의 부표는 더 깊이 가라앉는다. 등유, 가솔린, 알코올과 같은 저밀도 액체에서는 더 깊이 가라앉고, 소금물, 우유, 산과 같은 고밀도 액체에서는 덜 가라앉는다.
다음은 특수한 부칭(유속계)의 종류이다.종류 설명 알코올계 알코올과 물 혼합물의 알코올 농도를 나타내는 비중계 유액계 젖소 우유의 순도를 확인하는 데 사용되는 기기 당도계 용액 내 당의 양을 측정하는 비중계 온도계 내장 비중계 부동 부분에 온도계가 부착된 비중계 배터리 비중계 납축전지의 충전 상태를 전해액으로 사용되는 황산 용액의 밀도로 추정 부동액 테스터 자동차 엔진 냉각에 사용되는 부동액 용액의 어는점 방지 정도 측정 산도계 산의 비중을 측정 염도계 해양 증기 보일러의 급수 염분 함량을 측정 요비중계 임상 요검사를 위해 설계된 의료용 비중계 바코미터 가죽 태닝에 사용되는 태닝액의 강도 측정
4. 1. 알코올계 (Alcoholometer)
알코올계는 알코올과 물 혼합물의 알코올 농도를 나타내는 비중계이다. 요한 게오르크 트랄레스의 이름을 따서 ''프루프 및 트랄레스 비중계''라고도 알려져 있지만, 일반적으로 '''traille''' 및 '''tralle'''로 잘못 표기되기도 한다. 알코올계는 유체의 밀도를 측정한다. 설탕이나 다른 용해된 물질이 없을 경우, 물에 녹아 있는 에탄올 용액의 비중은 알코올 농도와 직접적인 상관 관계가 있다. 당-물 혼합물을 측정하기 위한 당도계는 물보다 큰 밀도를 측정한다. 많은 당도계에는 미리 계산된 비중을 기준으로 "잠재 알코올"의 부피 백분율이 표시된 눈금이 있다. 이 눈금에서 높은 "잠재 알코올" 수치는 더 높은 비중으로 인해 발생하며, 이는 용해된 설탕 또는 탄수화물 기반 물질의 도입으로 인해 발생한다고 가정한다. 발효 전후에 측정을 수행하고, 발효 후 값을 발효 전 값에서 빼서 대략적인 알코올 함량을 결정한다.[10]
이들은 세금을 결정하는 데 중요한 기구였으며, 특정 제작자의 기구를 지정할 수 있었다. 바솔로뮤 사이크스는 영국에서 독점권을 가지고 있었고, 메리 디카스와 그녀의 가족은 미국에서 비슷한 독점권을 누렸다.[11]
4. 2. 유액계 (Lactometer)
유액계는 젖소 우유의 순도를 확인하는 데 사용되는 기기이다. 우유는 물보다 무겁거나 가벼운 다양한 물질을 포함하고 있기 때문에, 우유의 비중만으로는 그 조성을 결정적으로 나타낼 수 없다. 따라서 전체적인 조성을 결정하기 위해서는 지방 함량에 대한 추가적인 검사가 필요하다.[12][13] 유액계는 100개의 눈금으로 표시되어 있으며, 우유를 부어 크림이 형성될 때까지 기다린 다음, 크림 침전물의 깊이를 도 단위로 측정하여 우유의 품질을 결정한다. 우유 시료가 순수하면 유속계가 불순하거나 섞인 우유보다 더 높이 떠오른다.[12][13]
4. 3. 당도계 (Saccharometer)
토마스 톰슨이 발명한 당도계는 용액 내 당의 양을 측정하는 비중계의 일종이다.[14] 와인 양조업자와 양조업자가 주로 사용하며,[15] 셔벗과 아이스크림을 만드는 데에도 사용된다.[16] 최초의 양조용 당도계는 벤자민 마틴이 (증류를 염두에 두고) 제작했으며, 1770년 제임스 바버스톡 시니어에 의해 처음 양조에 사용되었다.[17] 헨리 스랄이 이 기기 사용을 채택했으며, 1784년 존 리차드슨에 의해 대중화되었다.[18]
당도계는 눈금이 새겨진 얇은 줄기가 상단에서 올라오는, 무게가 있는 큰 유리구로 구성되어 있다. 액체의 표면이 눈금과 교차하는 값을 읽어 당도를 측정한다. 당 함량이 높을수록 용액의 밀도가 높아지며, 따라서 구가 더 높이 뜨게 된다.
4. 4. 온도계 내장 비중계 (Thermohydrometer)
온도계 내장 비중계(Thermohydrometer)는 부동 부분에 온도계가 부착된 비중계로, 연료유 등 석유 제품의 밀도를 측정할 때 사용한다. 밀도는 온도에 따라 달라지므로, 시험편은 일반적으로 온도계가 뒤에 설치된 가열 재킷으로 가열한다.[19] 경유는 통상 15°C에서 냉각 재킷에 넣는다. 휘발성 성분이 많은 초경질유[45]는 휘발 손실을 최소화하기 위해 부유 피스톤 샘플 장치를 사용하여 다양한 용량으로 측정한다.[46]
4. 5. 배터리 비중계 (Battery hydrometer)
납축전지의 충전 상태는 전해액으로 사용되는 황산 용액의 밀도로 추정할 수 있다. 약 15.6°C에서 물에 대한 비중을 읽도록 보정된 유속계는 자동차 배터리를 정비하는 데 사용되는 표준 도구이다. 판독값을 표준 온도로 보정하는 데 표가 사용된다.[23] 유속계는 습식 니켈-카드뮴 전지의 유지 보수에도 사용되어 전해액이 해당 용도에 적합한 강도를 갖도록 한다. 이 배터리 화학에서는 전해액의 비중이 배터리의 충전 상태와 관련이 없다.
온도계가 부착된 배터리 유속계(온도계)는 온도 보정된 비중 및 전해액 온도를 측정한다.
4. 6. 부동액 테스터 (Antifreeze tester)
자동차 엔진 냉각에 사용되는 부동액 용액의 어는점 방지 정도는 부동액의 밀도(및 농도)와 관련이 있다. 부동액의 종류에 따라 측정된 밀도와 어는점 사이의 관계는 다르다.[1]
4. 7. 산도계 (Acidometer)
산도계(acidometer) 또는 산량계(acidimeter)는 산의 비중을 측정하는 데 사용되는 비중계의 일종이다.[1] pH 측정기(pH meter)는 산의 비중을 측정하기 위해 사용되는 부칭이다.[1]
4. 8. 염도계 (Salinometer)
염도계는 해양 증기 보일러의 급수 염분 함량을 측정하는 데 사용되는 비중계이다. 검염기는 수중의 염분 함유량을 측정하기 위해 사용되는 부평이다.[49]
4. 9. 요비중계 (Urinometer)
요비중계(urinometer영어)는 임상 요검사를 위해 설계된 의료용 비중계이다. 요의 비중은 물에 대한 용질(노폐물)의 비율에 따라 결정되므로, 요비중계를 통해 환자의 전반적인 수분 섭취 수준을 빠르게 평가할 수 있다.
4. 10. 바코미터 (Barkometer)
바코미터는 가죽 태닝에 사용되는 태닝액의 강도를 측정하기 위해 보정된 부동 저울이다.[21] 피혁의 탄닌 무두질 가공에 사용되는 탄닌 용액의 농도를 조사한다.[48]
5. 토양 분석에서의 활용
입자 지름은 낙하 거리와 시간을 알면 계산할 수 있다. 유속계는 현탁액(입자가 섞여 있는 액체)의 비중(또는 밀도)을 측정하여, 특정 크기를 가진 입자의 비율을 계산할 수 있게 해준다.[50]
6. 눈금
7. 갤러리
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