열팽창

열팽창(熱膨脹, Thermal expansion)은 물체가 열을 받으면 부피가 커지는 현상이다. 부피가 커지는 정도를 열팽창계수(熱膨脹係數, Thermal expansion coefficient[1]) 또는 열팽창률이라고 부른다. 반대로 차가워지면 수축을 하게 된다.

부피가 커지는 정도는 고체 < 액체 < 기체 순으로 크며, 고체와 액체는 종류에 따라 열팽창계수가 달라지나, 기체는 똑같다.

반대로 열을 받으면 쪼그라드는 물질(음의 열팽창)도 있다. 수축튜브, 고기가 대표적이다.

개요

열팽창(熱膨脹, thermal expansion)이란 물질이 열을 받았을 때 그 부피가 커지는 현상을 말한다. 이유는 물질을 이루는 입자들이 열을 받음으로 인해 운동에너지가 커져 입자 운동이 활발해지기 때문이다. 금속의 경우 열팽창 될 때 변형되는 길이(Δl)는 변한 온도(ΔT), 섭씨 0도에서의 원래 금속 길이(l)와 1차비례하며 계수는 α로 표시한다. 식은 다음과 같다.

Δl=lα*ΔT

부피도 마찬가지로 위의 식에서 길이 l 대신 부피 V를, 계수 α 대신 β를 넣어서 표시하면 된다. 즉, ΔV=Vβ*ΔT이다. β=3α라는 근사가 있다.

정육면체로 상황을 단순화하면,

팽창한 부피 V' = V+ΔV = (1+β*ΔT)V이며, V'= (L'_x)(L'_y)(L'_z) = (1+α*ΔT)^3(L_x)(L_y)(L_z) = (1+α*ΔT)^3 * V이다.

따라서 (1+β*ΔT)=(1+α*ΔT)^3이며, α가 매우 작은 값이므로 α^n (n이 2이상일 때)를 0으로 처리(infinitesimal, 무한소)하여 (1+β*ΔT)=(1 + 3α*ΔT) 즉 β=3α이다.

액체의 열팽창

액체는 고체와는 달리 일정한 모양이 없기 때문에 액체의 열팽창인 경우에는 체적 팽창만이 생각된다. 액체의 팽창계수는 고체의 경우와 동일하게 정의된다. 즉, 액체의 온도를 1K만큼 높였을 때에 체적이 팽창하는 비율이 그 액체의 팽창 계수이다. 액체의 체적 팽창 계수를 자세히 조사해 보면 온도에 따라서 조금씩 다른 값을 갖고 있다. 보통은 20°C의 값을 나타낸다. 또한, 알코올 온도계나 수은 온도계는 이들 액체의 규칙적인 체적 팽창을 이용한 것이다.

물의 열팽창

액체의 온도를 올리면 그 체적은 팽창한다. 그러나 물만은 특별해서 0°C에서 4°C까지는 온도를 올리면 체적이 작아지는 성질이 있다. 그러나 4°C 이상은 보통의 액체와 같이 온도의 상승과 함께 체적도 증가한다. 체적이 변해도 질량에는 변화가 없으므로 물은 4°C일 때 밀도가 가장 크다.

선팽창과 부피팽창

온도가 올라감에 따라 길이가 늘어나는 현상을 설명하는 선팽창은 주로 긴 모양을 가진 고체의 변화를 이해하는 데에 유용하다. 예를 들어 기차가 주행을 하면서 덜컹덜컹 소리를 내는 이유는 철도를 만들 때, 수십 미터 내지 수백 미터 길이의 레일을 배치하면서 그 사이에 간격을 넣었기 때문이다. 여름에는 레일이 팽창하여 길어지고, 겨울에는 레일이 수축하여 짧아지기 때문에 레일 사이에는 간격이 있어야 한다.

온도가 올라감에 따라 부피가 늘어나는 현상을 설명하는 부피팽창은 주로 액체나 기체의 변화를 이해하는 데에 유용하다. 예를 들어, 온도계는 그 안에 있는 액체의 부피가 팽창하는 것을 이용한다. 액체는 종류에 따라 팽창하는 정도가 다르지만, 기체의 경우에는 팽창하는 정도가 거의 같다. 온도가 1도 상승할 때마다 섭씨 0도일 때 부피의 1/273만큼 늘어난다. 이를 샤를의 법칙이라 한다.

실생활의 열팽창

• 2000년도 이전에 대한민국에 부설됐던 철도의 선로는 일부러 사이에 약간의 틈을 떼어놓았다. 레일은 열팽창을 하는 게 당연하니까 여름철에 온도가 상승하여 레일이 팽창했을 때를 고려해서 빈틈을 만든 것. 중학교 과학 교과서에도 실리던 내용이며, 이때문에 잘 가던 열차 중간중간에 덜컹 하는 것이다. 그러나 2010년도 이후에는 핀과 침목이 버텨준다면 굳이 빈틈을 주지 않아도 된다는 것을 알아내었기 때문에 저속구간에서는 빈틈이 거의 없으며, 고속철의 경우 처음 용접할 때부터 300m 전 구간을 용접하는 형식으로 해서 열팽창에 대응한다. 그래도 필요하다면 빈틈을 대각선으로 만들고 이음새 부분에 팽창을 방지하는 자재들을 넣어 덜컹거림과 속도 저하를 최소화한다. 만약 그렇게 하지 않으면 이렇게 된다. 천천히 휘는 게 아니라 팽창된 힘이 모이고 모이다 한번에 휘어지기 때문에 상당히 위험하다.

• 마찬가지 이유로 전선은 일부러 느슨하게 설치하는데 겨울철에 추워지면 전선이 수축해 끊길 수 있기 때문이다. 다만 이것이 전부는 아니고, 강풍이 불거나 겨울철에 눈이 쌓이는 등 전선에 과도하게 힘이 걸려 단선이 되는 것을 방지하기 위한 것도 있고 전신주에 걸리는 장력을 줄이기 위한 목적도 있다. 가공전차선 등 항상 팽팽하게 당겨져 있어야 하는 전선은 도르래와 추를 사용해서 열팽창에 대응한다. 가공전차선 전신주에 달려 있는 콘크리트 원반이 이 장력조절용 추이다.
• 지구온난화로 인한 해수면 상승은 빙하가 녹는 것 보다도 열팽창으로 인한 상승이 훨씬 크다.
• 뜨거운 컵이나 토기를 갑자기 차가운 물에 담그면 균열이 생길 수 있다. 유리나 토기의 경우 열전도율이 낮아 한쪽은 수축/팽창하는데 한쪽은 그대로라 열팽창과 열수축을 견디지 못해 사이가 벌어지는 것이다. 이 현상을 억제한 파이렉스제 유리 식기는 제조 당시에 미리 뜨거운 유리를 제어된 환경 하에서 급랭시켜서 유리 전체가 미리 응력을 가지게 하여 이 현상을 막는다. 석영유리는 이런 프리-스트레스를 주지 않지만 전체가 균일한 결정 구조를 가지고 있어서 분자구조 자체가 응력에 견딘다. 유리 뿐만이 아니라 열전도율이 낮거나 온도차가 매우 크면 웬만한 물질은 다 파손된다.
• 집적회로를 실장한 인쇄 회로 기판, 특히 BGA패키징에서는 이 열팽창 문제 때문에 바닥의 접점(솔더 볼)이 깨져 불량이 발생하기도 한다. 육안검사가 불가능하고 수리도 거의 불가능해(수리비가 새로 제조하는 가격보다 훨씬 비싸다) 반도체 기판 제조의 난이도를 높인다.
• 냉장고에 너무 오래 넣은 잼 뚜껑이 잘 안열릴 때 접시에 따뜻한 물을 약간 따른 뒤 잼병을 뒤집어서 뚜껑 부분만 물에 닿게 하면 열팽창으로 뚜껑이 늘어나면서 뚜껑과 병 사이의 틈이 커져서 쉽게 뚜껑을 열 수가 있다.
• 용접작업이 필요한 제품을 생산할 때에는 열팽창에 의한 뒤틀림을 고려하여 기존 설계치수보다 더 큰 자재를 이용해 용접 후 가공해야 정확한 치수를 얻을 수 있다.
• 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 원래 상태로 되돌아간다. 내부의 공기의 열팽창 때문이다.

바이메탈. 해당 문서 참고.

• 철근과 콘크리트의 열팽창정도는 거의 동일하기 때문에 우리가 철근 콘크리트로 집을 짓거나 할 수 있다.
• 낮엔 덥고 밤엔 영하까지 내려가는 사막에서는 열팽창으로 인한 구조약화가 매우 심각하다. 현존하는 이집트 피라미드의 석회암 외장이 대부분 벗겨진 이유가 열팽창으로 인한 구조 약화 + 약탈(...)이다. 허나 초창기 피라미드였던 스네프루의 굴절 피라미드는 당시 기술 한계로 인해 외장 석회암 블럭과 내장 화강암 블럭 사이에 틈이 벌어졌고, 이 덕분에 오히려 열팽창은 잘 버티게 되어 초창기 피라미드임에도 불구하고 가장 석회암 외장이 많이 남아있다.
• 3D 프린터 사용자들의 주적. 출력시 온도는 200도를 넘나들지만 챔버를 사용하더라도 기온은 60도정도라 이에 따라 어느정도의 수축이 발생하고, 심한베드에서 떠올라 출력물 품질에 영향을 주거나 아예 출력이 망해 스파게티가 되기도 한다. 보통은 이를 방지하기 위해 베드에 Brim이나 Raft를 깐다. 다만 안정적으로 출력이 끝난 뒤에는 베드와 출력물의 열팽창 계수가 달라 베드가 식은 뒤에 출력물을 쉽게 떼내는 것이 가능하다.
• 자동차 엔진의 예열이 필요한 이유 중 하나. 엔진 작동시에는 연소와 마찰로 인해 열이 발생하고 이로 인해 부품이 열팽창하는데, 엔진 설계시에는 부품의 작동온도를 감안하여 설계하게 되는데, 예열이 되지 않아 너무 차가우면 부품간 간격이 너무 좁아 서로 마모/파손을 일으킬 수 있다. 반대로 과열되어 부품간 간격이 너무 멀어져도 문제가 된다.
• 물을 가열하거나 냉각하면서 열 팽창과 수축이 발생하는데 열팽창으로 인한 압력 증가가 배관에 무리를 주는 것을 방지하기 위해 배관의 압력을 일정하게 유지시키는 팽창 탱크라는 것을 설치한다. 온수를 사용하는 급탕이나 공기조화 설비에서 주로 볼 수 있다. 개방형과 밀폐형이 있다.
• 열동식 밸브 액추에이터는 열팽창하는 물질이 든 감온부를 가지고 있거나 외부의 전기히터를 통해 물질을 열팽창시켜 그 압력으로 자동으로 밸브를 열거나 닫는 장치이다.
• 정찰기 SR-71의 경우 엄청난 순항속도로 인해 공기와의 마찰열로 비행중에 기체가 달아오르게 되는데, 이 때문에 열팽창을 고려하고 부품간에 유격이 생기도록 설계하여 초음속 비행중이 아닌 상황에는 연료 등이 틈으로 새어 나온다.

참고자료

• 〈열팽창〉, 《나무위키》
• 〈열팽창〉, 《위키백과》
• 〈열팽창〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 열
• 팽창
• 열팽창계수
• 수축

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