전철이나 기차를 타고 이동할 때 바퀴가 덜컹하는 소리 들어본 적 있으시죠? 차를 타고 다리를 이동할 때도 바퀴가 덜컹하는 소리를 들을 수 있습니다. 유리병뚜껑이 열리지 않을 때 뚜껑에 따뜻한 물을 부으면 쉽게 열리는데요, 이와 같은 현상을 열팽창이라고 합니다. 열팽창을 물체에 열을 가하면 부피가 팽창하는 현상으로, 오늘은 8단원 마지막인 열팽창에 대해서 알아보겠습니다.
열팽창이란?
전철이나 기차를 타고 이동할 때 바퀴가 덜컹하는 소리를 들어본 적 있으시죠? 이는 기차길인 선로가 하나로 된 것이 아니라 조각조각 되어 있고, 바퀴가 이동할 때 선로 틈새로 빠졌다가 다시 나오기 때문입니다. 그럼 왜 선로를 하나가 아닌 여러 개를 붙여서 만들까요?
물질을 이루는 입자들은 열을 가하면 입자들의 운동이 활발해져요. 그러다 보면 입자들 간의 거리가 멀어지면서 부피가 늘어나게 됩니다. 이처럼 물질에 열을 가하면 물질의 길이 또는 부피가 증가하는 현상을 열팽창이라고 합니다.
열팽창이 일어나는 이유
물질에 열을 가하면 물질를 구성하는 입자들의 운동이 점점 활발해집니다. 그러면 입자들 간의 거리가 멀어지게 되고, 그러면 입자들이 차지하는 공간이 넓어지면서 부피 또는 길이가 늘어나게 됩니다.
간단하게 요약을 하면 다음과 같죠.
물질의 종류 및 상태에 따른 열팽창
1. 물질의 종류에 따라서 열팽창이 다릅니다. 예를 들면 납, 알루미늄, 구리, 철를 비교할 때 같은 열량을 주었을 때 납이 열팽창이 가장 잘 일어나죠, 철이 가장 작게 일어납니다. 왜 그럴까요? 물질을 구성하는 입자들 간의 거리가 다 같지는 않습니다. 거리가 다르고, 그리고 입자들 간의 인력이 서로 다르기 때문이죠. 입자들 간의 인력 세기가 약하면 쉽게 거리가 멀어지기 때문에 열팽창이 잘 일어날 수 있습니다.
2. 기체인 경우는 종류에 상관없이 온도 변화에 따른 팽창하는 정도는 같습니다.
(아보가드로 법칙에 의하면 같은 온도, 압력일 때 기체의 종류에 관계없이 같은 부피 속에는 같은 입자수를 가진다.)
- 즉, 기체에 들어 있는 입자수는 같은 온도, 압력일 때 기체의 종류에 관계없이 부피에만 달라지기 때문에 온도가 달라지면 부피가 달라지기 때문에 팽창하는 정도는 같습니다.-
3. 물질의 상태에 따른 열팽창은 고체 < 액체 < 기체 입니다.
고체의 열팽창
고체 물질에 열을 가하면 물질을 이루는 입자들의 운동이 활발해지면서 입자들 간의 거리가 멀어지므로 부피나 길이가 늘어나게 됩니다.
부피와 길이 팽창
1. 고체 물질에 열을 가하면 입자운동이 활발해지죠. 그러면 길이가 늘어납니다.
2. 고체 물질에 열을 가하면 입자운동이 활발해지죠. 그러면 부피도 팽창하는데, 고리인 경우 바깥쪽만 팽창하는 것이 아니라 안쪽도 팽창하게 되어, 전체 부피가 증가합니다.
고체 열팽창을 이용한 예
고체 열팽창을 이용하여 실생활에서 사용하는 것은 무엇이 있을까요?
1. 바이메탈
바이메탈은 열팽창이 다른 두 금속을 붙여서 만든 장치로, 열을 가하면 열팽창이 큰 금속 쪽으로 휘게 되면서 전류를 차단하거나, 차단되어 있는 회로를 연결하여 위급한 상황을 대비하는 장치입니다.
- 전기다리미에는 바이메탈이 장착되어 있는데요,
그림을 보면 평소에는 바이메탈이 전기회로에 연결이 되어 있지만, 열이 증가하면 온도가 높아지면서 바이메탈이 휘어져 회로를 차단하게 됩니다. 그럼 전기다리미에서는 열의 발생이 일어나지 않게 되겠죠?
- 화재경보기에도 바이메탈이 장착되어 있습니다.
그림에서 평소에는 바이메탈이 회로와 끊겨있지만, 화재가 발생하여 온도가 올라가게 되면 바이메탈이 회로와 접촉하게 되면서 종을 울리면서 화재가 발생한 것을 알려주게 됩니다.
여름과 겨울의 전깃줄의 모양이 다르죠.
여름에는 전깃줄이 늘어나지만, 겨울에는 팽팽하죠. 왜? 여름에는 온도가 높아서 열팽창이 일어나서 길이가 조금 늘어나기 때문이죠.
기찻길이나 다리 이음새 부분에 틈이 있다.
다리, 철로의 이음새 부분에 틈을 만들어 여름에 열팽창하여 휘는 것을 막는다.
충치 충전제는 치아와 열팽창이 비슷한 물질 사용
충치 치료에 사용하는 충전재는 치아와 열팽창 정도가 비슷한 물질을 사용한다.
액체의 열팽창
열에 의해서 액체의 입자들이 운동이 활발해지고, 그러면 입자들 간의 거리가 멀어지면서 부피가 팽창이 일어나게 됩니다.
실체로 온도가 올라가면 액체를 담고 있는 용기도 같이 팽창하게 됩니다. 그래서 용기와 액체가 같이 팽창하기 때문에 처음에는 액체의 높이가 내려갔다가 다시 올라가게 됩니다. 고체보다는 액체의 열팽창정도가 크기 때문이죠.
액체의 열팽창에 의한 현상과 이용
액체의 열팽창으로 일어나는 현상과 어떻게 이용하고 있을까요?
온도계
최근에는 사용하는 온도계는 적외선 온도계를 많이 사용하고 있는데요, 실험실에서는 사용하는 온도계는 알코올온도계(에탄올온도계)를 많이 사용하고 있습니다.
그림에서 아래쪽에 알코올이 들어 있습니다. 그리고 가느다란 관이 연결 되어 있는데요, 알콜에 있는 곳에 열을 가하면 온도가 올라가면서 알콜를 이루는 입자들의 운동이 활발해지면서 거리가 멀어지겠죠? 그러면 부피가 팽창이 됩니다. 이 때 관을 타고 알코올이 올라가면서 온도를 측정하게 되죠. 체온계는 알콜 대신 수은을 사용합니다.
음료수를 병 가득히 채우지 않는다.
병에 들어 있는 음료수를 보면 가득 채우지 않습니다. 왜? 음료수를 냉장고에서만 보관하는 것이 아니라 실온에서도 보관하는 경우가 있는데요, 판매하기 전 실온에서 보관할 때 온도가 높아지면 음료수 안에 있는 입자들의 운동이 활발해져서 부피가 팽창하여 음료수병이 터질 수 있기 때문이죠.
자동차 주유는 낮보다는 아침이나 저녁에 하는 것이 좋아요.
자동차에 휘발유나 경우를 채우는 주유를 할 때 낮보다는 아침이나 밤에 하는 것이 좋죠. 왜? 낮에는 온도가 높아서 부피가 팽창하기 때문에 온도가 낮은 아침이나 밤에 하는 것이 경제적으로 약간은 이득입니다.
송유관을 구부려서
송유관은 석유가 이동하는 관입니다. 낮에 온도가 높아서 열팽창이 일어날 수 있기 때문에 송유관을 설치 시 직선이 아닌 구부려서 설치를 합니다.
기체의 열팽창
기체는 종류에 상관없이 같은 온도, 압력에는 같은 부피 속에 같은 입자수가 들어 있죠. 그리고 샤를의 법칙에 따르면 기체의 부피는 1℃ 증가할 때마다 0℃때 부피의 1/273씩 증가한다고 합니다. 그러므로 기체는 종류에 상관없이 온도가 올라가면 부피가 올라가지만, 열팽창하는 정도는 같습니다.^^
이상 8단원 열과 우리 생활 마지막 중단원인 열팽창에 대해서 알아봤습니다.^^ 이해 안 되는 부분 있으면 댓글 주세요^^
'중등과학문제 > 중2 과학이론' 카테고리의 다른 글
| 중2과학 8단원 열과 우리생활 - 비열 - (2) | 2023.12.08 |
|---|---|
| 중2과학 8단원 열과 우리 생활 - 열평형 (3) | 2023.12.06 |
| 중2과학 8단원 열과 우리생활 - 단열 (2) | 2023.11.28 |
| 중2과학 8단원 중 열의 이동 방법 (2) | 2023.11.25 |
| 중2 과학 8단원 열과 우리 생활 - 1. 온도 (3) | 2023.11.24 |