[공학]고체의 선팽창계수

소개

고체의 선팽창계수

목차

15-1 실험의개요
15-2 기본원리
15-3 기구및장치

본문내용

15-1 실험의개요

일반적으로 물체는 온도가 올라가면 원자들의 진동폭이 커져 모든 방향으로 팽창을 하게 된다. 여기서는 두께나 폭보다 길이가 매우긴 고체봉을 이용하여 온도 변화에 따른 길이변화를 측정하여 고체의 선팽창계수를 측정한다.
여기서, 선팽창계수란 온도가 1℃ 변화할 때 재료의 단위길이당 길이의 변화이다. 고체의 길이가 온도에 따라 변화하는 것을 말한다. 선팽창계수는 좁은 온도범위에서는 정수로 간주되지만 일반적으로 넓은 온도범위에서는 정수가 아니다. 따라서 실측한 곡선 중 직선에 근접할 수 있는 온도범위를 지정하여 그 중에서 통용하는 선팽창계수로써 평균선팽창계수를 이용한다. 또한 이방성을 갖는 고체의 경우, 방향에 따라 다른 선팽창계수의 평균값을 평균선 팽창계수라고 한다. 선팽창계수가 크다는 것은 온도가 변할 경우 재료의 크기가 심하게 변한다는 의미이므로 재료선택, 특히 전자제품 등 소재를 선택할 때 중요한 항목이다.

15-2 기본원리

물체의 길이나 부피는 온도에 따라 변한다. 예를 들면, 아래의 물의 온도에 따른 체적 변화를 볼 수 있다.

[그림1] 물의 온도에 따른 체적변화

대부분의 물질은 온도에 따라 대략 일정한 비율로 팽창한다. 그러나, 예외인 경우도 있는데 물의 경우가 그렇다. [그림1]과 같이 0℃의 물을 가열하면, 4℃에 도달할 때 까지는 그 부피가 감소한다. 그리고 4℃이상 에서는 보통 물질들과 같이 온도에 따라 팽창한다. 따라서 물의 밀도는 4℃일때 최대가 된다. 물이 얼때 그 표면부터 어는 이유는 이 때문이다. 물의 온도가 4℃ 이하가 되면, 4℃의 물이 제일 무겁기 때문에 바닥으로 모이고, 더 차거운 물이 표면으로 모여서 먼저 0℃로 되기 때문이다.


즉, 물체의 길이에 대한 이 현상을 선팽이라 부른다.
물질이 선 팽창한다는 사실을 미시적인 관점에서는 어떻게 이해할 수 있을까? 고체를 구성하는 원자들이, 그들의 평균위치를 중심으로 진동하는, 운동을 계속 한다고 가정하자. 그리고 이들의 운동에너지는 온도가 증가하면 증가 한다고 가정하자. 그러나, 이러한 사실은 온도가 증가하면 원자 사이의 거리가 증가한다는 것을 의미하는가? 실험결과에 의하면 온도가 증가하면 고체막대의 길이가 늘어난다. 따라서 원자 사이의 평균거리가 증가해야 한다.
이것을 이해하기 위하여 원자의 위치에너지를 생각해 보면,

참고자료

· 없음