전선을 자세히 살펴보면 늘어진 부분 때문에 아래쪽으로 휘어져 있는 것을 볼 수 있습니다. 전선을 단순히 팽팽하게 당기는 대신 일부러 느슨하게 하는 이유는 무엇일까요? 동누사텐가라의 플로레스와 렘바타 지역의 지붕은 대부분 아연으로 만들어집니다. 낮이나 밤에 아연 지붕은 소음을 냅니다. 아연은 왜 소음을 낼까요? 자바 섬에 살고 있다면 철로를 본 적이 있을 것입니다. 레일 이음매에는 틈이 있습니다. 이 틈은 어떤 역할을 할까요? 이처럼 팽창 이라는 주제와 관련하여 생각해 보고 질문할 수 있는 것들은 많습니다.
길이 확장
대부분의 고체는 온도가 변할 때 선팽창을 합니다. 선팽창이란 길이가 늘어나거나 줄어드는 것을 말합니다. 일반적으로 물체의 길이는 온도가 올라가면 늘어나고, 온도가 내려가면 줄어듭니다. 선팽창은 가는 전선과 같은 물체에서만 일어난다고 생각할 수도 있습니다. 예를 들어, 햇볕에 노출된 채 길가에 주차된 자동차를 생각해 보세요. 자동차가 과열되면 금속판이 두꺼워지거나 측면 길이가 늘어날 수 있습니다. 아연 지붕도 선팽창을 합니다. 이 경우 아연이 과열되면 아연의 가장자리가 팽창하고 두께가 늘어날 수 있습니다. 철도 레일이나 철교 또는 강철 교량에서도 같은 현상이 발생합니다.
대부분의 고체는 온도가 변하면 팽창하거나 수축하므로, 온도 변화가 고체의 팽창에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것이 중요합니다. 이는 장비, 건물, 차량 등을 설계할 때 매우 유용합니다. 예를 들어, 철도 레일의 간격을 생각해 보겠습니다. 철도 레일은 강철로 만들어집니다. 엔지니어들은 각 레일 사이의 간격을 계산해 놓았습니다. 더운 날에는 레일이 수 센티미터 팽창합니다. 기차가 레일을 지나가면 레일의 온도도 상승하여 레일이 몇 센티미터 더 팽창합니다. 추운 밤에는 레일이 몇 센티미터 수축합니다. 이러한 분석을 바탕으로 엔지니어들은 레일 온도가 상승하더라도 레일이 서로 닿아 휘어지지 않도록 레일 간격을 정확하게 계산합니다.
온도 변화와 선팽창량 사이의 관계를 나타내는 공식을 유도하기 위해 오른쪽 그림과 같이 팽창하는 고체 물체를 생각해 보겠습니다. (캡션: T)o = 초기 온도, T = 최종 온도, Lo L = 초기 길이, L = 팽창 후 길이, ΔL = 길이 변화, ΔT = 온도 변화.
물체의 온도가 T₀(물체가 아직 차가운 상태)일 때 , 물체의 길이는 L₀입니다 . 물체의 온도가 T₀(물체의 온도가 상승하는 상태)가 되면, 물체의 길이는 L₀가 됩니다. 관찰 및 실험 결과에 따르면, 물체의 길이 변화는 온도 변화에 비례합니다. 온도가 상승하면 물체의 길이는 증가하고, 반대로 온도가 하강하면 물체의 길이는 감소합니다. 물체의 길이 변화는 물체의 초기 길이(L₀)에도 비례합니다 . 온도 변화의 크기가 같다고 가정할 때, 예를 들어 길이가 10미터인 물체는 길이가 5미터인 물체에 비해 길이가 2배 증가합니다. 따라서 물체가 길수록 팽창하는 정도가 더 큽니다.
물체의 길이 변화량(델타 L)은 온도 변화량(델타 T)에 비례합니다.
물체의 길이 변화량(델타 L)은 물체의 초기 길이(L)에 비례합니다.o) :
각 물체의 길이 변화량은 서로 다릅니다. 크기가 크더라도 말이죠. 온도 변화 마찬가지로 철의 팽창률은 유리의 팽창률과 다릅니다. 다른 물체들도 마찬가지입니다. 따라서 선팽창은 각 물체의 선팽창 계수에 따라 달라집니다. 각 물체의 선팽창 계수는 실험을 통해 구할 수 있습니다. 선팽창 계수가 클수록 길이 증가량이 크고, 선팽창 계수가 작을수록 길이 증가량이 작습니다. 따라서 물체의 길이 변화는 선팽창 계수에 비례한다고 할 수 있습니다.
위의 세 가지 비교는 방정식으로 표현됩니다.
팽창 또는 수축을 겪은 물체의 전체 길이는 물체의 초기 길이(L)를 모두 더하여 구할 수 있습니다.o) 및 물체 길이의 변화(델타 L).
온도가 변할 때(TT)o)가 음수이면 길이 변화량(LL)은 다음과 같습니다.o) 또한 음수이면 물체의 길이가 줄어듭니다. 반대로 온도 변화(TT)가 음수이면 물체의 길이가 줄어듭니다.o)가 양수이면 길이 변화(LL)는o) 또한 양수입니다. 이 경우 물체의 길이가 증가합니다.
다음은 20 ° C 에서 고체의 선팽창 계수입니다. 액체와 기체는 형태가 변하기 때문에 선팽창을 경험하지 않습니다. 고체의 선팽창 계수는 온도에 따라 달라지며, 온도 차이에 따라 선팽창 계수도 변합니다. 하지만 온도 차이가 크지 않으면 선팽창 계수의 차이도 크지 않으므로 무시할 수 있습니다.
부피 팽창
길이 팽창은 고체에서만 발생하고, 부피 팽창은 고체, 액체, 기체를 막론하고 모든 물체에서 발생합니다. 부피 팽창 공식은 길이 팽창 공식과 유사합니다.
위의 부피 팽창 방정식은 물체(고체, 액체, 기체)의 부피 변화가 초기 부피보다 작을 때만 유효합니다. 물체의 부피 변화가 초기 부피보다 크면, 이 방정식은 정확한 결과를 제공하지 못합니다. 일반적으로 고체 물체의 부피 변화는 크지 않습니다. 반면 액체와 기체의 부피 팽창 계수는 상당히 큽니다. 또한 기체의 부피 팽창 계수는 온도 변화에 따라 쉽게 변합니다. 따라서 위의 공식은 고체 물체의 팽창에만 사용할 수 있습니다. 기체의 부피 변화를 구하는 공식은 11학년 기체 운동론 단원에서 자세히 학습할 것입니다.
