40㎝의 자그마한 구리관. 이 구리관에서 발생하는 증기 에너지를 이용해 보트를 달리게 해 보세요. 집의 욕조에서 또는 큰 물통에서 친구들과 신나게 경기를 펼쳐 보세요. 멋진 보트맨이 될 겁니다.
집안에서 끓이는 물 주전자의 뚜껑이 덜컹거리는 것을 본 적이 있을 겁니다. 물이 끓을 때 주전자가 왜 덜컹대며 움직이는지, 옛날에는 증기선이나 증기기관차가 있었다는데, 어떤 원리를 이용해 동력을 전달했을까 하고 한번쯤 생각해 봤을 겁니다.
그리고 이들이 증기 에너지로 움직인다는 것을 학교에서 배우거나 또는 책을 통해 이해했을 겁니다. 그러나 증기 에너지를 이용한 실험을 해본 적은 거의 없을 것입니다. 자, 이 달에는 증기 엔진을 만들어 보트를 띄워 봅시다.
준비물
● 직경 2㎜의 구리관 40㎝(과학 교구상에서 구입)
● 얇은 합판과 스티로폴, 작은 톱, 병뚜껑, 송곳, 칼, 자, 솜, 알코올(약국에서 구입), 구리관에 끼울 수 있는 빨대, 뻰찌, 자그마한 책받침이나 아크릴판 등
만들기와 띄우기
① 합판과 스티로폴을 배 모양으로 자른다. 먼저 합판에 연필로 배의 모양을 그린 다음 톱으로 자르고 이것을 스치로폴에 대고 칼로 스티로폴을 자른다(배의 크기는 그림을 참고).
② 구리관은 둥근 막대를 이용해 지름 3㎝ 정도가 되게 감는다, 추진 파이프가 될 끝 부분의 구멍이 막히면 안된다.
③ 얇은 합판과 스티로폴을 포개 놓고, 병뚜껑이 들어 갈 수 있는 간격으로 송곳을 이용해 양쪽에 구멍을 뚫어 밑으로 나온 구리관을 꺾어 끝 부분(추진파이프)이 정확히 뒤를 가리키도록 고정시킨다.
④ 보트가 똑바로 나갈수 있는 방향을 잡기 위해 책받침이나 아크릴판으로 방향키를 만들어 끼운다.
⑤ 물통이나 욕조에 보트를 띄운다. 구리관(엔진) 안에 물을 넣어야 하므로 한쪽관을 물 속에 담근 채 다른 한쪽 관에 빨대를 끼워서 물을 입으로 빨아 들인다
⑥ 구리관 사이에 있는 병뚜껑에 알코올을 적신 솜을 넣고 불을 붙인다. 알코올을 사용하지 않고, 다소 무겁지만 양초를 사용하는 방법도 있다. 잠시 후 보트는 '따다닥' 소리를 내고 물살을 가르며 쏜살같이 달려 나간다.
입 안에 화상입지 않도록 조심해야
이 실험은 위험한 공구도 있고 불을 사용하는 실험이므로 학생들은 꼭 선생님이나 부모님과 같이 실험을 하도록 해야 합니다. 알코올을 적신 솜이 다 탔을 때의 증기 보트는 에너지가 다 소모된 상태이므로 다시 알코올을 넣고 불을 붙여야 됩니다. 이때는 보트를 물에 거꾸로 침몰시켜서 불씨를 완전히 제거하고 가열된 구리관을 식혀서 다시 빨대로 물을 빨아 들여야 입안에 화상을 입지 않습니다. 또한 불이 붙은 상태에서 알코올을 주입하면 절대로 안됩니다.
다른 방법으로는 불꽃이 약해진 보트를 물에서 꺼내지 말고 추진 파이프가 물에 담긴 상태에서 입으로 불어 불을 끈 후, 스포이트를 이용해 알코올을 주입하면 됩니다. 데워진 구리관은 자체에서 다시 물을 관속으로 빨아 들이기 때문에 재차 물을 넣지 않아도 됩니다.
증기 에너지란 무엇인가
증기 보트는 알코올의 열 에너지에 의해 구리관 속의 물이 가열, 증기 에너지로 전환돼 움직이는데, 이때 구리 관이 엔진이 되는 것입니다. 추진 파이프에서 나온 증기가 물을 밀어 배가 앞으로 나아가며 이때 나온 증기는 즉시 응결되고, 구리관에 다시 밀려 들어가 가열됩니다. 그러므로 보트는 이 일련의 순간 파동에 의해 움직이며 알코올의 열에너지가 공급되는 한 증기 보트는 계속해서 움직일 수 있습니다.
모든 물체의 원동력은 에너지입니다. 이러한 에너지에는 열 에너지, 빛 에너지, 동력 에너지 등이 있으며 모두 분자와 핵 운동의 원동력입니다. 어떤 물질을 가열하면 분자운동이 더욱 빨라지며, 분자운동을 빠르게 하려면 에너지가 필요하게 되고 일단 가속화된 분자들은 자체의 에너지를 가지게 됩니다.
열은 에너지이기 때문에 난방으로 사용되기도 하고 또 다른 에너지 형태로 전환되기도 합니다. 석탄이나 석유 같은 연료들은 연소돼 화학적 에너지를 방출하거나 자동차와 비행기의 동력을 공급하고 발전용 터빈을 돌릴 수 도 있습니다.
이러한 열기관에는 증기 엔진처럼 연료를 엔진의 외부에서 태우는 외연 기관과 제트 엔진이나 자동차 엔진처럼 내부에서 태우는 내연 기관이 있습니다.
