열에 의한 물질의 팽창

선팽창 Linear Expansion

 

선팽창: 섭씨 100도씨에서의 변화 내에서, 온도 변화가 그리 크지 않다는 가정 하에 증가한 길이 ΔL은 늘어난 섭씨 온도에 비례한다.

 

"Linear expansion means change in one dimension as opposed to change in volume."

 

Linear Expansion

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선팽창 계수(coefficient of linear expansion): 물질의 열팽창 성질을 기술하는 계수로 물질마다 다르다. 단위는 역 켈빈온도를 주로 쓴다.

- 선팽창 계수가 클수록 온도변화량에 따른 물체의 변화길이가 크다.

- 오른쪽 식은 차분이 아닌 미분형태로 고친 식이다.

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표 1. 물체에 따른 선팽창 계수의 차이 [참고: University Physics Vol 2., Openstax, 2016, p.14]

열을 받으면 고체 사이의 진동 폭(진폭, amplitude)이 커지고 이 amplitude가 커질 때 분자 간 평균 거리가 증가한다. 이 평균 거리의 증가로 인해 물체의 모든 방향에서의 길이가 증가한다.

 

부피 팽창 Volume Expansion

출처 입력

Volume Expansion: 섭씨 100도씨 이하에서 온도의 변화가 크지 않을 때, 증가한 부피 ΔV는 늘어난 온도에 비례한다.

 

Volume Expansion

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부피팽창계수(coefficient of volume expansion) β는 α값과 마찬가지로 물질의 고유한 열팽창 특성을 반영하며, 같은 단위(역 켈빈온도)를 갖는다.

- 물질의 일반적인 부피팽창계수는 낮은 온도에서 감소하는 경향을 보인다.

- 액체의 부피팽창계수 값이 대개는 고체의 부피팽창계수 값보다 크다.

 

 

PROOF. 부피팽창계수와 길이팽창계수의 관계식 유도

부피팽창계수와 길이팽창계수의 관계식

물의 독특한 거동

출처 입력

물은 독특하게 0도씨부터 4도씨 사이에서 물의 온도가 증가할 때, 부피가 줄어드는 효과를 보인다.

- 같은 온도 범위에서 밀도가 증가한다.

 

- 0-4도씨 온도 범위에서 물의 부피팽창계수는 음의 부호를 갖는다.

- 0-4도씨 온도 범위에서 4도씨 온도의 물은 0도씨 온도의 물보다 밀도가 크기 때문에 가라앉는다. ⇒ 이론적으로 수중 생물은 4도씨 이하의 물에 거의 노출되지 않는다.