열적 비평형이 Pressure-Volume-Temperature 측정에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

Abstract

Pressure-Volume-Temperature 측정 방법은 저중력에서 극저온 유체의 부피를 측정하는 방법으로 측정이 간단하고, 추가적인 장비가 필요하지 않다는 장점이 있다. 가압제 공급 용기와 극저온 유체 보관 용기가 누설 없이 연결된 장치에 적용된다. 불응축성이고, 가벼운 헬륨 기체가 가압제로 쓰인다. 액체 부피를 알기 위해, 액체 용기의 부피와 액체 용기 내 헬륨의 질량과 밀도의 변화를 측정한다. 그러나 극저온 액체가 끊임없이 기화하기 때문에 액체 용기 내 열역학적 상태를 정의하기 어렵다. 본 논문에서는 액체 용기가 각각 열적 비평형 상태와 평형 상태 일 때, PVT 측정에 이용하기 위해 헬륨의 압력과 온도를 정확하게 측정할 수 있는 방법을 확인하고, 액체 부피 측정 결과를 비교했다. 실험 장치는 0.6 L 헬륨 공급 용기와 0.5 L 플라스크나 9.2 L 금속 극저온 액체 보관 용기로 구성되었다. 플라스크는 액체의 높이를 정확히 확인하고, 단열 성능이 좋지 않은 영향을 확인하기 위해 사용되었다. 금속 용기는 플라스크의 압력 제한보다 더 많이 가압하기 위해 사용되었다. 열적 비평형 상태에서는 극저온 액체의 양과 헬륨 가압에 의한 압력 증가량의 영향이 실험적으로 비교되었다. 액체의 양이 줄어들수록, 기체 온도의 공간적 차이로 측정된 열적 비평형 정도가 커졌다. 불균일한 기체 온도는 boil off gas 발생을 증가시켜, 헬륨 분압을 정확하게 측정하지 못하게 하였다. 그럼에도 불구하고, 단열이 좋은 액체 용기에 많은 양의 헬륨을 천천히 가압하여 열적 비평형 정도가 증가하지 않도록 했을 때, 열적 비평형 상태에서도 액체의 양에 상관없이 평균 1.1%의 오차로 액체 부피가 정확하게 측정되었다. 이 때 액체 용기 압력에서 헬륨 분압이 차지하는 비중이 20%가 넘어, 헬륨 분압이 정확하게 측정되었기 때문이었다. 반면, 액체 용기 내에 유입되는 열을 줄이기 위해 헬륨을 냉각하여 주입하여도 기체와 액체 사이에 온도 차이가 존재하였기 때문에 액체 부피 측정이 정확하지 않았다. 그리고 액체 용기 내 열적 평형 상태는 저중력 모사 비행 실험과 지상에서 액체 순환 실험을 통해 모사되었다. 공간적으로 기체 온도 차이가 없어, 기체 대표 온도는 정확하게 설정되었다. 액체 용기의 압력과 기체 온도에 해당하는 포화 압력으로 측정된 극저온 액체가 기화한 기체의 분압의 차로 가압 전과 후의 헬륨 분압이 정확하게 측정되었다. 온도와 압력이 정확하게 측정되었기 때문에, 비행 실험에서 평균 2.6%, 순환 실험에서 평균 -0.9%의 오차로 액체 부피가 정확하게 측정되었다. 열적 평형 상태에서 저온 헬륨 주입은 액체 부피 측정 정확도에 영향을 주지는 않았지만, 헬륨 가압으로 액체 용기에 유입되는 열이 적기 때문에 극저온 액체의 증발이 적은 것으로 기대되었다.