열 팽창

대부분의 고체 재료는 온도가 올라가면 부피가 늘어나고, 온도가 내려가면 부피가 줄어듭니다. 고체들을 구성하는 원자들 사이의 평균 거리가 변하기 때문입니다. 이런 현상을 열팽창이라고 부릅니다. 늘어나는 정도는 물질마다 다릅니다. 온도가 증가할 때 물질이 팽창하는 정도를 ‘열팽창계수’라고 정의합니다. 열팽창계수가 클수록 온도에 더 민감하거나 늘어나거나 줄어듭니다. 모든 물질은 각각 고유의 열팽창계수를 가지고 있습니다. 열팽창계수에는 선팽창 계수와 부피팽창 계수가 있는데, 선팽창 계수는 고체를 가열했을 때 길이가 얼마나 늘어나는지를 나타낸 것이고, 부피팽창 계수는 고체를 가열했을 때 부피가 얼마나 늘어나는지를 나타낸 것입니다. 냉장실에 물이 약간 남아 있는 생수병을 꺼내어 물을 다 마시고 냉장고 밖에 두면 잠시 후 페트병에서 “딱”하는 소리가 나는데, 이유는 냉장고 속에서 차가운 공기 때문에 수축하여 약간 찌그러져 있던 페트병이 따뜻한 냉장고 밖에서 페트병 속의 공기가 팽창하여 찌그러진 부분이 펴지는 소리입니다.

물질의 종류에 따른 열팽창을 보면, 일반적으로 고체보다는 액체, 액체보다는 기체가 같은 온도 변화에 대한 팽창률이 크다. 물질별로 보면, ① 고체의 경우는 납 > 알루미늄 > 구리 > 철 > 유리 순이며, ② 액체의 경우: 에탄올 > 식용유 > 물이고, ③ 기체의 경우 기체의 종류에 관계없이 온도 변화에 따라 팽창하는 정도가 같습니다.

열팽창 현상은 일상에서도 쉽게 볼 수 있습니다. 철도 레일 중간에 틈이 벌어진 것을 보신 적이 있지요? 철도 레일을 빈틈없이 이으면 더운 날 쇠들이 팽창하여 철길이 휘어 큰 사고가 날 수 있습니다. 음료수도 열팽창으로 병이 터지는 것으로 방지하기 위하여 병에 음료수를 가득 채우지 않습니다. 기체 온도가 올라가면 팽창하는 성질 때문에 여름철에는 타이어에 넣는 공기의 양이 겨울철보다 적어야 합니다. 뜨거운 지면 때문에 타이어 속 공기가 팽창하기 때문에 겨울철과 같은 양의 공기가 들어 있으면 타이어가 터질 수 있기 때문입니다.