팽창(膨脹, Expansion)은 크기, 부피, 규모 따위가 부풀어서 커지는 것을 말한다. 반대말로는 수축이 있다.
기체, 액체, 고체의 부피가 온도에 따라 늘어나는 현상을 열팽창이라고 하며, 과정의 조건에 따라, 외부와 열에너지의 출입이 없는 단열팽창, 계의 온도가 일정하게 유지되는 팽창인 동온평창 등 다양한 경우가 존재한다.
개요
팽창은 물체의 질량은 일정하게 유지되면서 부피가 늘어나는 현상이다.
물체가 열을 받으면 분자의 운동에너지가 증가하여 매우 활발하게 움직인다. 따라서 분자가 차지하는 공간이 넓어지게 되어 물체의 부피가 늘어난다. 예를 들어, 찌그러진 탁구공을 더운 물 속에 넣으면 찌그러진 곳이 펴지면서 본래 모양으로 돌아온다. 이것은 온도가 높아짐에 따라 탁구공 속의 공기가 팽창하기 때문이다. 온도의 상승 외에도 압력의 감소로 기체가 팽창하기도 한다. 대체로 고체나 액체는 부피변화가 적고, 기체는 부피변화가 크다. 기체의 팽창을 이용해 에어백, 열기구, 에어컨(압축된 기체를 팽창시켜 공기를 냉각시키는 장치) 등을 만든다. 이상적인 기체의 부피와 압력, 온도의 관계는 보일-샤를의 법칙으로 주어진다.
단열팽창
열의 출입 없이 팽창할 때 나타나는 현상이다. 공기덩어리가 상승하면 압력이 줄어들어 부피가 커진다. 이때 외부로부터 열을 받지 않는 경우 공기덩어리 자체의 에너지를 소모한다. 즉, 기체의 부피가 팽창하면서 밖으로 해준 일만큼 자신의 에너지를 잃어 온도가 낮아진다.
단열팽창의 대표적인 예로 구름이 있다. 공기가 상승하면 기압이 낮아져서 단열팽창하게 되고 온도가 떨어진다. 기온이 이슬점까지 내려가면 공기 중의 수증기가 응결되어 물방울이 되어 구름이 만들어진다.
팽창계수
열팽창에 의한 물체의 팽창비율은 보통 일정한 압력하에서 온도가 1℃ 올라갈 때마다의 부피 증가율로 표시한다. 이것을 그 물체의 체적팽창계수 또는 팽창계수·팽창률이라 한다. 고체의 경우, 대부분 부피의 증가보다 길이의 증가가 문제되므로 길이의 증가율인 선팽창계수를 많이 사용한다. 등방체의 경우, 체적팽창계수는 선팽창계수의 약 3배이다. 팽창계수의 값은 일반적으로 고체·액체·기체 순으로 커진다. 이상기체의 경우에는 그 값이 압력과 온도에 관계없이 약 0.00367(1/273)이다.
실제 기체도 이 값에 가깝지만 기체 종류와 압력 및 온도에 따라 그 값이 달라질 수 있다. 또 고체 중에서도 석영, 유리 등은 팽창계수가 작은 것으로 알려져 있으며, 인바(invar:철 64%, 니켈 36%의 합금)는 온도변화에 의한 신축현상이 잘 나타나지 않기 때문에 시계나 정밀도를 요구하는 자 등 재료로 사용한다. 액체의 경우에는 액체 자체의 팽창 외에도 용기의 팽창도 함께 고려해야 한다.
참고자료
- 〈팽창〉, 《두산백과》
- 〈팽창〉, 《나무위키》
같이 보기
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