1. 실험목적온도가 올라가면 물질은 일정한 비율로 팽창함을 확인하고 여러가지 금속 막대의 온도에 따른 선 팽창계수를 측정해 보고 물질에 따라 그 값이 다른 고유한 특성을 가짐을 이해한 다.2. 기본이론대부분의 물질은 온도에 따라 대략 일정한 비율로 팽창한다. 그러나, 예외인 경우도 있는 데 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. 따라 서 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 차거 운 물이 표면으로 모여서 먼저 0 로 되기 때문이다.그림 물의 온도에 따른 체적변화물질이 열팽창한다는 사실을 미시적인 관점에서는 어떻게 이해할 수 있을까? 고체를 구성 하는 원자들이, 그들의 평균위치를 중심으로 진동하는, 운동을 계속 한다고 가정하자. 그 리고 이들의 운동에너지는 온도가 증가하면 증가 한다고 가정하자. 그러나, 이러한 사실 은 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 보자.[그림 2]에 보인 것은 두 개 원자의 위치에너지를 그들 사이의 거리 r의 함수로 그린 것 이다. r가 클 때의 위치에너지를 0으로 가정하였다. r가 감소하면 위치에너지가 감소하는 데, 이것은 서로 잡아당기는 힘이 작용한다는 것을 의미한다.r가 r0 (원자들 사이의 힘이 0인 위치에서의 거리)보다 작을때에는 위치에너지가 증가하 며, 서로 미는 힘이 작용한다. [그림 2]의 E1과 E2 로 표시한 선들은 온도가 각각 T1과 T2 일 때의 전체 에너지를 표시한 것이다. 여기서는 T2 > T1 인 경우이다. E1과 E2 선에 표시한 짧은 수직선은 이들 운동의 중간 위치를 표시한 것이다.그림 고체내 원자들의 위치에너지위치에너지 그래프가 대칭이 아니기 때문에, 온도가 올라가면 그림에 보인 바와 같이 원 자간의 평균거리가 증가하게 된다. 따라서 물질이 팽창하는 이유는 위치에너지 함수가 대칭이 아니기 때문이다.고체의 길이나 부피는 온도 t 의 함수로써 온도의 상승과 더불어 증가하기 때문에 t의 멱 급수로 표시할 수 있다. 즉,여기서, L0은 T=0 일 때의 길이이며, , , ,…등은 그 물질의 종류에만 관계되는 상수 로서 매우 작은 값이다. 이하는 에 비하여 한층 더 작아서 전항에 비해 무시해도 될 만큼의 작은 값이므로 우리는 측정하는 온도 범위 내에서는,L L0(1+ t)로 하여도 무방하다. 이 가 0.와 T.사이에서의 평균 선팽창률로서 고체의 경우10-5 정도의 값을 갖는다. 따라서 0. 및 T.일 때의 길이 l0, l을 측정하게 되면 윗식으 로부터 를 얻을 수 있다. 그런데, 일일이 0.때의 길이를 재는 것은 곤란하기 때문에 임의의 두 온도 T1, T2일 때의 길이를 l0, l라 하고 l2-l1= l을 측정하여 T의 2차항 이 상을 무시하면,에 의해 가 구해진다.3. 장치 및 기기(1) 측정장치 베이스(다이알게이지 부착, m자 부착)(2) 증기발생기(steam generator) 및 온도 조절기(3) 시료막대(Fe,Al,Cu, 황동) 및 시료가열통(2개), 고무마개(4) 고무관 (실리콘 호스,ratax) 2개(5) 디지털 온도계 및 온도센서막대(6) 배수용 물받이통그림 3 고체의 선팽창계수 측정 장치도그림 4 시료가열통 외관4. 실험방법(1) 상온에서 각 시료의 길이를 베이스 위에 설치된 측정용 자를 이용하여 여러번 측정 하고 평균값을 기록한다.(2) [그림1]과 같이 선팽창 계수측정 장치를 설치한다. 증기발생기 내에 물을 2/3정도 붓고 온도조절기와 연결한 다음 전원을 연결한다. 온도 조절기용 연결코드는 4핀으로 핀 사이의 홈을 기준으로 맞추어 꼽으면 된다.(3) 시료막대를 [그림2]와 같이 시료 가열통의 고무마개 쪽으로 꼽은 후 끝 부분에서 돌리면서 밀면 잘 들어간다. 디지털 온도계용 센서 막대를 시료 가열 통의 가운데에 설치된 고무마개에 꼽은 후 시료에 닿기 전까지 밀착시킨다.(4) 고무관을 증기발생기와 시료 가열통의 한쪽에 위 방향으로 나있는 관에 연결하고 반 대쪽의 아래로 나있는 배출구에도 고무관을 연결하고 물이 배출될수 있도록 물받이통 등을 받쳐둔다.(5) 시료막대는 한쪽 나사식 지지대와 다이알게이지 접촉부분에 잘 밀착시키고 다이알게 이지의 초기위치를 0으로 조정한다.(6) 온도 센서를 설치한 다음, 증기발생기를 작동시킨다.(7) 디지털온도계를 전원장치에 연결하고 온도센서의 입력측으로 채널을 맞춘다.(8) 증기발생기를 작동시키기 전의 온도와 다이얼 게이지의 값을 읽어 기록해 둔다.
![[화학실험] 고체의 선팽창계수](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2002/05/27/data1099243-0001.jpg)
