물질은 열팽창 현상이 나타나게 되는데 주로 온도의 변화에 따른 부피의 변화를 거치게 됩니다. 조그만 고무공을 오래 가지고 놀게 되면 공 속의 공기가 많이 빠져나가 홀쭉해지면서 더이상 탄력을 유지하기 힘들어 지는 상태가 됩니다. 이때 공기가 많이 빠져서 탄력을 잃은 고무공을 튀기면 잘 튀어 오르지 않습니다. 공을 잘 튀어 오르게 하려면 공이 원래대로 팽창할때까지 공 속의 공기를 불어 넣어줘야 합니다. 그러나 공 속에 공기를 넣는다는 것이 그리 쉽지는 않습니다. 이때 공기를 직접 불어 넣지 않고도 공 내부의 온도를 높여준다면 공이 다시 팽창하면서 부풀어 오르는 효과를 얻을 수 있습니다. 아래 글에서 물질의 온도와 부피의 변화 내용 알아보겠습니다.
열팽창 물질의 특성, 물질의 온도에 따른 부피의 변화
온도에 의한 열팽창 물질의 특성
이렇게 공기가 빠져서 탄력을 잃은 공에 공기를 많이 넣은 것과 같은 효과를 낼 수 있는 방법이 있습니다. 바람 빠진 공을 뜨거운 물에 잠시 담가 두게 되면 내부의 공기가 열을 받아서 팽창하게 되며 이는 열팽창 물질의 특성을 보여주는 것입니다. 이렇게 열을 가한 공은 탄력을 얻고 탄력을 얻게 되며 잘칠수 있을 만큼 팽창 하게 됩니다. 마치 공속에 공기를 넣은 것처럼 보입니다. 이것은 공 속의 공기가 열의 영향을 받아서 그 부피가 늘어났기 때문입니다. 이처럼 물질을 이루는 작은 알갱이인 분자는 열을 가하면 부피가 늘어나고 열이 줄어들면 부피가 줄어드는 성질을 가지고 있습니다. 분자들은 스스로 움직이는 것이 아니라 주변의 열 온도에 의해서 움직이기 때문입니다.
기체를 가열 했을 때 부피 변화
일반적으로 기체를 가열하게 되는 경우 부피의 변화에 대해서는 쉽게 알아볼 수 있습니다. 삼각 플라스크와 고무풍선 그리고 알콜 램프를 비롯한 가열 장치를 준비합니다. 준비된 삼각 플라스크 입구에 고무 풍선을 씌우고 이때 풍선이 찢어지지 않았는지 확인해야 합니다. 그리고 가열 장치 위에 삼각 플라스크를 올려놓고 삼각 플라스크를 써서 열을 가하면 늘어져 있던 고모 풍선은 점차 부풀어 오르기 시작 하다가 팽팽해 집니다. 이것은 삼각 플라스크 안의 공기가 더워지면서 공속의 부피가 늘어나 풍선을 부풀어 오르게 하기 때문입니다. 가열 하던 것을 멈추게 되면 팽팽해져 있던 풍선은 다시 작아 지게 됩니다. 기체가 열을 받으면 부피가 늘어나지만 열이 없어지게 된다면 기체의 부피는 줄어들기 때문입니다. 기체의 부피는 고체나 액체 상태에서 보다 더 많이 팽창 하게 때문 입니다.
고체의 부피 변화
고체 역시도 열을 가하면 부피가 늘어나는 성질을 가지고 있습니다. 쇠구슬과 쇠고리를 준비하고 먼저 쇠고리에 쇠구슬을 끼워서 쇠구슬이 지나가는지 확인해 줍니다. 쇠구슬을 뜨거운 물에 담근 후 쇠고리를 다시 키워 줍니다. 그러면 어떻게 될까요? 쇠구슬은 쇠고리를 통과하지 못합니다. 쇠구슬의 분자가 열을 받아서 활발히 움직이면 그 부피가 늘어나기 때문입니다. 일상생활에서도 이런 부분들이 많이 활용되고 있습니다. 철도선 이음새를 보시면 일정한 간격만큼 틈이 벌어져 있는 것을 볼 수 있습니다. 더운 여름철에 기온이 높아져 철도선이 늘어나거나 휘어지면 기차가 탈선하는 상황이 발생할 수 있으므로 미리 늘어나도 안전할 수 있도록 기차철도선 사이에 틈을 만들어 놓은 것입니다. 이것은 금속이 열을 받으면 부피가 팽창 한다는 것을 알고 있기 때문에 취해 놓은 조치 방법 입니다.
액체의 부피 변화
액체의 경우에도 비슷한데 특히 액체는 압력을 가했을 경우에는 부피의 변화가 거의 없는 특징이 있습니다. 하지만 액체에 열을 가하여 준다면 열팽창 현상이 나타나는데 열에 의해서 부피가 변하는 과정을 거치게 됩니다. 물을 가득 채운 시험관에 유리관을 꽂아주시고 시험관을 가열하게 된다면 물이 가열되면서 유리관속의 물기둥의 높이가 금방 높아지는 것을 관찰 할 수 있습니다. 이런 현상으로 봤을 때 물이 열에 의해서 가열 되면서 일정했던 부피가 팽창하고 늘어났기 때문이라는 것을 알 수 있습니다.
물질의 온도와 부피의 변화 마무리
물질에 온도를 높여주면 열팽창 증상이 나타나게 됩니다. thermal expansion 열팽창이란 물질이 열을 받았을 때 그 부피가 커지는 현상을 이야기 합니다. 온도와 부피는 밀접한 관련이 있습니다. 물질을 이루는 입자들이 열에 의한 자극을 받음으로 인해 운동에너지가 커져 입자 운동이 활발해지기 때문입니다.
고체,액체,기체 상태 각각 열을 받게 되었을 때 팽창의 비율은 다르지만 모두 팽창하게 되는 효과가 나타나게 됩니다. 쉽게 겨울철에는 공이가 차가워지면서 자동차 타이어의 공기가 수축하기 때문에 바람이 빠지는 듯한 증상이 나타나며 여름철에는 뜨거운 공기로 인해서 팽창이 일어나게 되는 원리 입니다.