통합과학 중1 열 심화

열팽창

고체·액체·기체의 열팽창 원리와 온도계, 바이메탈 등 일상 속 열팽창 활용을 이해한다.

열팽창은 온도가 올라가면 물질을 이루는 입자의 운동이 활발해져 입자 사이의 거리가 멀어지고, 그 결과 물질의 부피가 늘어나는 현상입니다.

좁은 방에 모인 사람들이 팔을 크게 휘두르기 시작하면 서로 부딪히지 않으려고 간격이 벌어져 무리 전체가 커집니다. 사람 몸이 커진 게 아니라 사이가 벌어진 것입니다. 열팽창도 똑같습니다.

쉽게 말하면

열과 우리 생활에서 온도가 입자 운동이 얼마나 활발한지를 나타낸다고 배웠습니다. 물질이 열을 얻으면 입자들이 더 빠르고 크게 움직이고, 그러면 입자끼리 서로 밀어내며 평균 거리가 조금씩 멀어집니다. 입자 수는 그대로인데 차지하는 공간만 넓어지니 부피가 커집니다. 질량은 변하지 않고 부피만 늘었으므로 밀도는 작아집니다 — 뜨거운 공기가 위로 올라가는 대류가 바로 이 때문에 일어납니다.

같은 정도로 데워도 상태에 따라 팽창하는 정도가 크게 다릅니다. 기체가 가장 많이, 액체가 그다음, 고체가 가장 적게 팽창합니다. 입자를 붙들고 있는 힘이 약할수록 쉽게 벌어지기 때문입니다. 고체는 입자들이 서로 강하게 붙들려 제자리에서 진동만 하므로 눈에 잘 띄지 않을 만큼 조금 늘어나지만, 다리나 철도처럼 크고 긴 구조물에서는 그 조금이 사고를 낼 만큼 커집니다.

그래서 열팽창은 '이용하거나, 대비하거나' 둘 중 하나입니다. 이용하는 쪽에는 액체 온도계(가는 관 속 액체가 팽창한 만큼 눈금을 읽음)와 바이메탈이 있습니다. 바이메탈은 열팽창 정도가 다른 두 금속판을 맞붙여 놓은 것인데, 가열하면 더 많이 늘어나는 금속이 바깥쪽이 되도록 휘어집니다. 이 휘어짐으로 전기 회로를 붙였다 떼면 화재경보기나 자동 온도 조절 장치가 됩니다. 대비하는 쪽에는 철도 레일과 다리 이음새의 틈, 여름을 대비해 일부러 늘어뜨려 거는 송전선이 있습니다.

한 가지 예외가 물입니다. 물은 0도에서 4도 사이에서는 온도를 올리면 오히려 부피가 줄어들어, 4도 부근에서 부피가 가장 작고 밀도가 가장 큽니다. 겨울 호수가 바닥부터가 아니라 위부터 어는 것, 그래서 얼음 아래에서 물고기가 살아남는 것이 이 성질 덕분입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

철도 레일과 다리의 이음새 틈

레일을 빈틈없이 이어 붙이면 여름에 늘어난 레일이 서로를 밀어 휘어지거나 솟아오릅니다. 그래서 일부러 틈을 두고, 다리에도 톱니처럼 벌어진 이음새를 넣습니다. 기차를 탈 때 '덜컹덜컹' 소리가 나던 것이 바로 이 틈을 지나는 소리입니다.
예시 2

잘 안 열리는 병뚜껑을 뜨거운 물에 담그기

금속 뚜껑이 유리병보다 더 많이 팽창하므로, 뜨거운 물에 뚜껑 쪽을 담그면 뚜껑이 병목보다 더 늘어나 헐거워집니다. 뚜껑에 뚫린 구멍(뚜껑의 안쪽 지름)이 작아지는 게 아니라 커진다는 점이 핵심입니다.
예시 3

열기구가 뜨는 이유

풍선 속 공기를 데우면 공기가 팽창해 일부가 밖으로 빠져나가고, 남은 공기는 같은 부피에 입자 수가 줄어 밀도가 작아집니다. 주변 찬 공기보다 가벼워지면 부력을 받아 떠오릅니다. 기체의 열팽창이 눈에 보이게 드러나는 예입니다.

순서대로 하면

바이메탈이 어느 쪽으로 휘는지 알아내는 순서

1붙어 있는 두 금속 중 어느 쪽이 열팽창 정도가 더 큰지 확인합니다.
2가열하는 경우: 많이 팽창하는 금속이 더 길어지므로 바깥쪽(볼록한 쪽)이 됩니다. 즉 덜 팽창하는 금속 쪽으로 휩니다.
3냉각하는 경우: 많이 팽창하는 금속이 더 많이 줄어드므로 안쪽(오목한 쪽)이 됩니다. 즉 많이 팽창하는 금속 쪽으로 휩니다.
4휘어진 끝이 회로를 붙이는지 떼는지를 보고, 이 장치가 언제 켜지고 꺼지는지 판단합니다.

상태에 따른 열팽창 정도

구분	고체	액체	기체
팽창하는 정도	가장 작다	고체보다 크다	가장 크다
까닭	입자들이 강하게 붙들려 제자리에서 진동만 함	입자 사이 힘이 고체보다 약함	입자 사이 힘이 거의 없어 자유롭게 퍼짐
생활 속 예	철도 레일의 틈, 바이메탈	액체 온도계, 가득 채우지 않는 음료수 병	열기구, 여름에 팽팽해지는 자동차 타이어

자주 하는 오해

열팽창하면 입자 자체가 커진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움열을 받아 입자 하나하나가 부풀어서 물체의 부피가 늘어난다

실제로는입자의 크기는 그대로입니다. 입자의 운동이 활발해져 입자 사이의 거리가 멀어질 뿐입니다.

만약 입자가 커진다면 질량도 달라져야 할 텐데, 물체를 데워도 질량은 변하지 않습니다. 늘어난 것은 '입자가 차지한 공간의 간격'입니다. 그래서 부피만 늘고 질량은 그대로여서 밀도가 작아지고, 온도를 다시 낮추면 간격이 좁아져 원래대로 돌아옵니다.

구멍이 뚫린 금속판을 가열하면 구멍이 작아진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움금속이 팽창해 안쪽으로 밀고 들어오니 가운데 구멍은 좁아질 것이다

실제로는구멍도 금속판과 함께 커집니다. 금속판 전체가 사진을 확대한 것처럼 같은 비율로 커진다고 보면 됩니다.

구멍은 비어 있는 자리가 아니라 '거기 있었을 금속이 빠진 자리'입니다. 금속판 위에 그려 놓은 원이 팽창하면 그 원도 커지듯, 그 원을 오려 낸 구멍도 똑같이 커집니다. 안 열리는 금속 병뚜껑을 뜨거운 물에 담그면 열리는 것이 바로 이 사실의 증거입니다.

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자주 묻는 질문

Q1겹쳐서 안 빠지는 유리컵 두 개는 어떻게 빼나요?

바깥쪽 컵은 뜨거운 물에 담그고, 안쪽 컵에는 찬물을 부으면 됩니다. 바깥 컵은 팽창해 넓어지고 안쪽 컵은 수축해 작아지므로 틈이 생깁니다. 반대로 하면 더 꽉 끼게 되니 순서를 헷갈리지 않도록 주의하세요.

Q2액체 온도계는 왜 가는 관을 쓰나요?

액체의 부피 변화 자체는 아주 작습니다. 가는 관을 쓰면 같은 부피가 늘어나도 액체 기둥의 길이는 크게 변해서, 작은 온도 변화도 눈금으로 읽을 수 있습니다. 온도계 아래쪽에 액체를 담아 두는 통이 크고 위쪽 관이 가는 이유가 이것입니다.

Q3물이 4도에서 부피가 가장 작다는 게 왜 중요한가요?

겨울에 호수의 물이 차가워지면 무거워져 가라앉는데, 4도가 되면 더 이상 무거워지지 않으므로 그 아래로는 내려가지 않습니다. 그래서 가장 차가운 물과 얼음이 위쪽에 남고 바닥에는 4도의 물이 있게 됩니다. 얼음 아래 물이 얼지 않아 물고기가 겨울을 날 수 있는 이유입니다.

교육과정 2022 개정 · 중1 통합과학 · 열 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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