▶ 열에 의한 물체의 변화 (Ⅰ) - 부피의 변화

 

    물체에 열이 더해지면 그 열은 물체를 변화시킵니다. 열이 물체에 일으키는 변화는 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있습니다. (1) 부피의 변화, (2) 상태의 변화. 먼저 부피의 변화를 살펴보도록 하지요.
    여기서 말하는 부피의 변화는 열이 물체에 더해졌을 때 원래의 상태(고체, 액체, 또는 기체)는 변하지 않으면서 부피가 변하는 것을 말합니다. 예를 들어 고체에 열이 더해졌을 때 고체의 상태를 유지하면서 부피가 변화하는 것을 말합니다.
    고체, 액체, 기체의 상태에 상관없이 거의 대부분의 경우 물체에 열이 더해지면 부피가 늘어납니다. 반대로 물체로부터 열을 빼앗아 주면 부피가 줄어듭니다. 열에 의한 부피의 변화를 고체, 액체, 기체의 경우로 나누어 차례대로 살펴보도록 하지요.

 

고   체

    고체는 물질을 이루는 분자나 이온 같은 단위구성입자가 수없이 많이 모여 이루어진 것입니다. 고체 안에서는 이런 분자나 이온과 같은 단위 구성 입자들이 서로를 강하게 끌어당기고 있기 때문에 자유롭게 움직이지 못합니다. 정해진 자리에서 진동만 하지요.

 

 

 

    이런 고체에 열을 가하면 분자들은 힘을 얻게 되고 더 심하게 진동하게 됩니다. 그러면 분자들은 더 많은 공간을 필요로 하겠지요. 따라서 더 큰 부피를 차지하게 됩니다.

 

 

    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. 뜨거운 컵을 아주 찬물을 넣을 때는 식혀지는 부분이 갑자기 수축하면서 컵이 깨어집니다.

 

 

액  체

    액체에서의 단위구성입자들은 고체에서처럼 서로를 끌어당기고 있어서 서로로부터 도망갈 수는 없지만 정해진 자리 없이 단체로 이리저리 흘러 다닐 수 있지요. 액체에서도 고체에서와 마찬가지로 열이 가해지면 분자나 이온들의 운동이 활발해져서 넓은 공간을 차지하게 되지요. 따라서 액체도 온도가 올라가면 부피가 커진답니다.

 

 

 

    이렇게 액체가 온도가 올라가면 부피가 늘어나는 성질을 이용한 것이 바로 온도계입니다. 온도계에는 수은 또는 알코올을 담아두는 데 이 온도계를 온도를 재고자 하는 물체에 접촉시킵니다. 만약 물체의 온도가 접촉 전의 온도계의 온도보다 높다면 물체와 온도계의 온도가 같아질 때까지 열이 물체에서 온도계로 이동하지요. 그러면 온도계 안의 액체의 부피가 커지고 따라서 눈금이 올라가지요.

 

 

    만약 물체의 온도와 온도계의 온도가 같다면 열이 이동하지 않을 것이고 따라서 온도계의 부피도 변하지 않아 눈금도 변하지 않겠지요.

 

 

    만약 물체의 온도와 온도계의 온도보다 낮다면 온도계와 물의 온도가 같아질 때까지 열이 온도계에서 물체로 이동합니다.

 

 

    바람은 공기가 이동하는 것입니다. 바람도 바로 대류 현상의 하나이지요. 바람에 대해 아래에서 알아보세요.

 

기  체

    기체에서는 분자들이 서로를 끌어당기지 않고 서로로부터 자유롭게 용기 전체를 차지하도록 뿔뿔이 흩어져 있습니다. 이러한 기체에 열을 가하면 기체를 이루는 원자나 분자들이 더 많은 에너지를 갖게 되고 따라서 더 활발하게 움직입니다. 그러면 그릇 벽에 더 큰 압력을 발휘하게 되지요. 그릇의 부피가 커졌다 작아졌다 할 수 있다면 바깥 압력과 같도록 부피가 늘어나지요. (잘 이해가 안 된다 구요? [기타/물질의 세 가지 상태/기체에 의한 압력]을 참조하세요.) 그래서 기체는 가열되면 부피가 늘어나지요.

 

 

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찌그러진 탁구공을 어떻게 할까?

 

부피가 팽창하는 정도가 다른 것

 

    거의 모든 물체는 가열을 하면 부피가 커지지요. 그런데 물체를 이루는 물질의 종류에 따라 같은 양의 열이 더해졌을 때 부피가 증가하는 정도가 다르답니다. 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.

 

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바이메탈

     

    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.

 

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잼 병의 뚜껑이 잘 열리지 않을 때