Analysis and Development of Experimental Method of Charle's Law Applicable to School

In this study, we developed an experimental method of the Charles' law applicable to school. Science textbooks and literatures on this principle were analyzed to extract factors utilized in organizing the experimental setup and method. A combined structure such as with a vial and a glass tube, the former of which is for deciding the total volume and the latter of which is for easy measurement of volume, was better in measurement of volume with temperature rather than a simple structure such as syringe. Use of graduated cylinder as a water bath to control the temperature showed advantage in cooling time than using other bath of larger volume such as a beaker. A liquid drop was used as a plug in the glass tube. This plug has little resistance with the glass wall when the gas volume changes. Water as a liquid drop in the glass tube had a significant effect in volume change of gas due to evaporation, especially in the beginning of the measurement. Glycerol showing negligible effect in volume change was used. This method took about one hour and produced a good linear relationship between the temperature and volume of gas with $R^2$ = 0.999 and absolute zero temperature = $-216.7\;{^{\circ}C}$. The Charles' law experiment developed in this study can be performed with appropriate adjustment of procedure considering the purpose of the curriculum of science and chemistry subject at each school level.

학교 현장에 적용 가능한 '샤를의 법칙' 실험방법의 분석 및 개발

본 연구에서는 학교 현장에 적용 가능한 ‘샤를의 법칙’ 실험방법을 개발하였다. 교과서 및 문헌 분석을 통하여 실험 장치 및 방법을 구성하는데 필요한 요소를 분석하였다. 전체 부피를 결정하는 부분 으로 단순 구조인 주사기를 사용할 때 보다 바이알과 부피 변화를 관찰하는 부분으로 유리관을 연결한 구조를 사용하였을 때 온도 변화에 따른 기체의 부피 변화를 쉽게 측정할 수 있었고, 비커 같은 큰 부피 의 물중탕 기구 보다 눈금실린더를 이용한 물중탕 방법이 냉각 시간에 있어서 이점을 보여주었다. 부피 변화 부분에서 저항이 최소화된 형태로 액체 마개 형태가 이용되었다. 액체 마개로 물방울을 사용할 경 우 측정 초반에 증발에 의해 기체 부피변화에 큰 영향을 주는데, 글리세롤을 사용할 경우 이 같은 영향 은 거의 없었다. 제안된 실험방법으로 대략 1 시간 이내의 실험 시간을 소요하여 높은 선형 상관계수($R^2$ = 0.999)를 갖는 결과를 얻을 수 있었고, 부피가 0이 되는 온도가 $-216.7\;{^{\circ}C}$로 예측되는 정도로 매우 정확 한 결과를 보여주었다. 본 연구를 통해 개발된 샤를의 법칙 실험은 학교 급별 교육과정에 따라 수준을 조절하여 실시할 수 있을 것으로 예상한다.