IDEAL GAS LAW

🧪 실험명: "나만의 기압계로 이상기체 법칙을 증명하라"

이 실험은 두 단계로 진행됩니다:

Phase 1 — 아두이노 + BMP280 + DS18B20으로 디지털 압력·온도 센서 장치를 직접 제작합니다.

Phase 2 — 제작한 센서로 밀폐 페트병 내부의 등적 과정(V 고정)을 측정하고, 게이-뤼삭의 법칙(P/T = const)을 정량 검증합니다.

풍선에 줄자를 대는 것이 아니라, 여러분이 직접 만든 센서가 0.01 kPa 단위로 압력을 실시간 측정합니다. 시리얼 모니터에 숫자가 올라가는 순간, 과학이 눈앞에서 벌어지는 것을 경험하게 됩니다.

📦 준비물

🔸 Phase 1 — 센서 장치 제작

🔸 Phase 2 — 등적 과정 실험

⚠️ 유의사항

🔗 이 실험이 연결되는 실제 기술

🔸 자동차 TPMS (타이어 압력 모니터링)

자동차 타이어 안에도 BMP280과 비슷한 MEMS 압력 센서가 들어 있습니다. 주행 중 타이어 온도가 올라가면 압력이 증가하는데, 이것이 바로 우리 실험의 등적 과정(P ∝ T)입니다. TPMS는 이 원리로 비정상 압력을 감지합니다.

🔸 기상 관측소의 기압계

기상청의 기압 관측도 원리는 동일합니다. 대기의 압력 변화를 정밀하게 측정하여 날씨를 예측합니다. 여러분이 만드는 센서 장치는 기상 관측소의 축소판입니다.

🔸 압력밥솥 안전밸브

밀봉 + 가열 → 압력 상승. 우리 실험의 페트병이 바로 미니 압력밥솥입니다. 실제 압력밥솥은 안전밸브가 특정 압력에서 열리도록 설계되어 있는데, 그 압력값을 결정하는 데 PV=nRT가 쓰입니다.

📋 실험 절차

총 소요시간: 약 90분 (센서 제작 40분 + 실험 50분)

PHASE 1 — 디지털 압력·온도 센서 제작

STEP 1 — 회로 연결 (15분)

브레드보드에 아래와 같이 연결합니다:

BMP280 연결 (I2C)

DS18B20 연결 (OneWire)

STEP 2 — 코드 업로드 (15분)

Arduino IDE에서 아래 라이브러리를 먼저 설치합니다:

① Adafruit BMP280 Library (+ Adafruit Unified Sensor)

② OneWire + DallasTemperature

스케치 → 라이브러리 관리 에서 검색하여 설치하세요.

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_BMP280.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
Adafruit_BMP280 bmp;
OneWire oneWire(2);           // DS18B20 → D2
DallasTemperature ds(&oneWire);
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);
  if (!bmp.begin(0x76)) {     // 주소 0x76 또는 0x77
    Serial.println("BMP280 연결 실패! 배선 확인");
    while (1);
  }
  ds.begin();
  Serial.println("=== 이상기체 법칙 센서 준비 완료 ===");
  Serial.println("병내부T(°C)\t병내부T(K)\tBMP압력(hPa)\tBMP온도(°C)");
}
void loop() {
  ds.requestTemperatures();
  float waterTemp = ds.getTempCByIndex(0);  // 물 온도
  float waterTempK = waterTemp + 273.15;
  float pressure = bmp.readPressure() / 100.0; // Pa → hPa
  float bmpTemp = bmp.readTemperature();      // BMP 내장 온도
  Serial.print(waterTemp, 2);  Serial.print("\t");
  Serial.print(waterTempK, 2); Serial.print("\t\t");
  Serial.print(pressure, 2);   Serial.print("\t\t");
  Serial.println(bmpTemp, 2);
  delay(2000);  // 2초마다 측정
}

업로드 후 시리얼 모니터(9600 baud)를 열어 값이 정상 출력되는지 확인합니다.

STEP 3 — 센서 동작 테스트 (10분)

① 시리얼 모니터에서 온도, 압력 값이 나오는지 확인

② DS18B20 프로브를 손으로 잡아보세요 → 온도가 올라가면 정상!

③ BMP280 센서 위에 입김을 불어보세요 → 압력과 온도가 미세하게 변하면 정상!

PHASE 2 — 등적 과정 실험 (게이-뤼삭 법칙 검증)

STEP 4 — 밀폐 장치 조립 (10분)

① 페트병 뚜껑에 송곳 또는 드릴로 작은 구멍 2개를 뚫습니다 (BMP280 연결선 + DS18B20 선 통과용).

② BMP280 센서의 점퍼 와이어 4가닥을 구멍으로 통과시켜 센서가 병 안쪽에 위치하게 합니다.

③ DS18B20 프로브도 다른 구멍으로 통과시켜 병 안쪽에 넣습니다 (두 센서 모두 병 내부 공기를 측정).

④ 뚜껑 구멍 부분을 글루건으로 양면 꼼꼼히 밀봉합니다. 이것이 실험의 핵심입니다!

⑤ 페트병에 뚜껑을 단단히 잠급니다.

STEP 5 — 4개 온도 조건 측정 (30분)

대야(또는 냄비)의 물 온도를 바꿔가며, 각 조건에서 평형 상태의 압력·온도를 기록합니다.

조건 1: 얼음물 (~5°C)

대야에 물+얼음을 넣고, 페트병을 담급니다 (뚜껑과 센서 선은 물 밖으로). 5분 대기 후 시리얼 모니터에서 DS18B20 온도가 안정되면 그때의 압력과 온도를 기록합니다.

조건 2: 상온 (~23°C)

얼음물을 버리고 상온 물로 교체. 5분 대기 후 기록.

조건 3: 온수 (~45°C)

뜨거운 물을 부어 ~45°C로 맞춤. 5분 대기 후 기록.

조건 4: 고온수 (~65°C)

전기포트 물을 더 부어 ~65°C로 맞춤. 5분 대기 후 기록. ⚠️ 장갑 착용!

STEP 6 — 데이터 분석 (10분)

4개 조건의 P/T 비율을 계산합니다.

P/T가 4개 조건에서 일정하면 → 등적 과정에서 P ∝ T 검증 성공!

또한, 이 데이터로 압력밥솥의 안전밸브 작동 압력과 TPMS 경고 시나리오를 시뮬레이션해봅니다.

자세한 계산은 결과보고 탭에서 수행합니다.

📝 나만의 실험 결과 보고서

센서에서 읽은 측정값을 입력하고, 직접 P/T를 계산한 후 검증하세요.

1. 실험 제목

등적 과정에서 온도-압력 관계 검증 (게이-뤼삭의 법칙)

2. 실험 목적

밀폐 페트병(고정 부피) 내부 기체의 온도를 변화시키고, 자작 디지털 센서(BMP280 + DS18B20)로 압력·온도를 정밀 측정하여 이상기체 법칙(PV = nRT)의 등적 조건(P/T = const)을 검증한다.

👤 학생 정보

3. 원시 데이터 입력

시리얼 모니터에서 읽은 안정 상태의 온도(°C)와 압력(hPa)을 입력하세요.

4. 데이터 처리 — 직접 계산하기

아래 공식을 참고하여 직접 계산한 결과를 입력하세요.

내가 계산한 값

5. 실험 데이터 해석

6. 응용 사고

5. 게이-뤼삭 법칙 검증

6. 응용 계산 — TPMS & 압력밥솥

7. 오차 원인 분석

8. 실험 성찰

🎯 이상기체 법칙 퀴즈

이론과 실험을 잘 이해했는지 확인해봅시다! 각 문제를 풀고 정답을 확인하세요.