▶   열에 의한 고체의 길이 변화

철선과 구리선에 열을 가하면 어떻게 될까요? 먼저 동영상으로 관찰해 보세요.

가열하면 추가 아래로 내려옵니다.

식히면 추가 다시 올라갑니다. 구리선의 변화가 철선에 비해 더 큽니다.

추의 높이가 낮아진 것은 금속선의 길이가 길어졌기 때문입니다. 그리고 추의 높이가 다시 높아진 것은 금속선의 길이가 다시 줄었기 때문입니다. 이 실험으로부터 금속선을 가열하여 온도가 높아지면 길이가 늘어나고, 식혀 온도가 내려가면 길이가 줄어든다는 것을 알 수 있습니다.

금속선이 늘어날 때 금속선 안에서 어떤 일이 일어났는지 한번 살펴볼까요? 금속선은 고체입니다. 고체 안에서는 고체를 이루는 분자나 이온 같은 구성 입자들이 서로를 강하게 끌어당기고 있기 때문에 자유롭게 움직이지 못하고 정해진 자리에서 약간의 진동만 할 수 있지요.

이런 고체에 열을 가하면 고체를 이루는 구성 입자들은 에너지를 얻어 더 큰 폭으로 진동하게 됩니다. 그러면 입자들은 더 많은 공간을 필요로 하겠지요. 따라서 길이가 길어집니다.

고체가 열을 받으면 길이가 늘어나는 것은 여러 곳에서 관찰할 수 있습니다. 여름 낮에 아스팔트 길이 얼마나 뜨거워지는지 알지요? 만약 아스팔트 길 전체를 한 덩어리로 만들어 놓으면 더운 여름에는 늘어나고 겨울에는 줄어들어 길에 균열이 생기겠지요. 이러한 일을 막기 위해 아스팔트 길은 조각으로 나눈 후 조각과 조각을 타르라는 끈적끈적한 물질로 붙여 놓아 어느 정도의 줄어듦과 늘어남에 균열이 일어나지 않도록 해 놓았습니다.

기찻길도 유심히 살펴보세요. 철로와 철로 사이에 약간의 틈을 남겨 놓은 것이 보일 거예요. 이것도 겨울에 비해 여름에 철이 어느 정도 늘어나는 것을 생각하여 남겨놓은 공간입니다. 그 빈 공간이 없다면 여름에 철로가 위로 올라올 테니까요.

그런데 구리선과 철선은 늘어난 정도가 서로 다르지요. 이것은 거의 모든 물체는 가열을 하면 길이가 길어지지만 물체를 이루는 물질의 종류에 따라 같은 양의 열이 더해졌을 때 길이가 증가하는 정도가 다르기 때문입니다.

이렇게 물질마다 열에 의해 부피가 늘어나는 정도가 다른 성질을 이용한 것 중에 바이메탈이라는 것이 있습니다. 이 바이메탈은 온도를 일정하게 유지하여야 하는 곳에 많이 쓰입니다. 아래에서 바이메탈의 원리와 바이메탈이 쓰이는 곳에 대해 알아보세요.

  바이메탈 장치

가열하면 길이가 늘어나고, 식히면 다시 줄어드는 것을 이용하여 화재 경보기를 만들 수 있습니다. 아래 링크에서 따라 해보세요.

  화재 경보기