열에 의한 고체의 부피변화-금속의 길이와 부피의 변화

    절대로 늘어날 것 같지 않은 금속선들에 열을 가하면 어떻게 될까요? 먼저 동영상으로 관찰해 보세요.

     

금속선이 늘어나서 길이가 길어진 것을 추의 높이가 달라진 것을 보고 알 수가 있지요. 금속선 안에서 어떤 일이 일어났는지 한번 살펴볼까요?
금속선은 고체, 액체, 기체 중에서 고체에 해당하는 물질이지요.
참고: [아하 과학/공부방/4학년 1학기/우리생활과 액체/고체, 액체, 기체의 겉모습]
고체 안에서는 고체를 이루는 분자나 이온 같은 단위구성입자가 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 힘을 얻게 되고 더 심하게 진동하게 됩니다. 그러면 입자들은 더 많은 공간을 필요로 하겠지요. 따라서 더 큰 부피를 차지하게 됩니다.


또 부피가 늘어난다는 것은 길이도 함께 늘어나는 것이지요. 고체가 열을 받으면 부피가 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 아스팔트길은 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 여름에 철이 어느 정도 늘어나는 것을 생각하여 남겨놓은 공간입니다. 그 빈 공간이 없다면 여름에 철로가 위로 올라올 테니까요.





우리 생활 속에서 경험하는 일 중에는 차가운 유리컵의 한 쪽을 뜨겁게 가열하면 컵이 깨어지는 것입니다. 이것은 갑자기 가열된 부분의 유리가 팽창하면서 가열되지 않아 팽창하지 않는 부분과의 사이에 틈을 만들기 때문입니다.


 



그런데 서로 다른 두 금속선이 늘어난 정도가 다르지요. 이것은 거의 모든 물체는 가열을 하면 부피가 커지지만 물체를 이루는 물질의 종류에 따라 같은 양의 열이 더해졌을 때 부피가 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.

[생활 속의 과학/바이메탈 장치]

가끔 유리병에 금속 뚜껑이 너무 꽉 닫혀 있어서 열 수 없는 경우가 생기지요. 이럴 때 병을 뜨거운 물에 잠깐 담가 두거나 유리와 금속 뚜껑이 물려 있는 부분을 가스불로 가열한 뒤 뜨거우니까 수건으로 감싸고 뚜껑을 돌리면 쉽게 열리지요. 왜 일까요? 아래에서 알아보세요.

[생활 속의 과학/잼 병의 뚜껑이 잘 열리지 않을 때]