금속의 열팽창 계수 측정 실험 방법

물체는 온도가 상승하면 대부분 팽창하는 성질을 가지며, 특히 금속은 열에 의해 눈에 띄게 길이가 늘어납니다. 이러한 성질을 수치화한 것이 바로 열팽창 계수(Coefficient of Linear Expansion)입니다. 이번 글에서는 금속 막대의 길이 변화를 온도 변화에 따라 측정하여, 금속의 선팽창 계수(α)를 직접 구하는 실험 방법을 소개합니다.

1. 실험 목표

- 금속의 열팽창 현상을 정량적으로 측정한다.
- 금속의 선팽창 계수 $\alpha$를 계산한다.
- 온도 변화에 따른 물질의 물리적 성질 변화를 이해한다.

2. 실험 준비물

• 금속 막대 (구리, 철, 알루미늄 등)

• 길이 측정 장치 (버니어 캘리퍼스, 마이크로미터, 다이얼 게이지 등)

• 알코올 램프 또는 열선 히터

• 열팽창 장치 (막대 고정 장치 + 팽창 측정기)

• 온도계 또는 열전대 센서

• 삼발이, 철망, 스탠드, 물통 등 실험 장치 보조 구성품

3. 실험 원리

선팽창 계수 $\alpha$는 다음 공식을 통해 정의됩니다:

$$\Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T$$

이를 변형하여 $\alpha$를 구하는 식은:

$$\alpha = \frac{\Delta L}{L_0 \cdot \Delta T}$$

여기서,

• $\Delta L$: 길이 변화량
• $L_0$: 원래 길이
• $\Delta T$: 온도 변화량

4. 실험 방법

① 실험 준비

• 금속 막대를 장치에 수평으로 고정하고, 한쪽은 고정, 다른 쪽은 길이 변화 측정 장치(다이얼 게이지 등)와 맞닿게 합니다.

• 초기 온도(실온)와 초기 길이 $L_0$를 정확히 측정합니다.

② 가열

• 알코올 램프 또는 열선으로 금속 막대를 일정 시간 동안 천천히 가열합니다.

• 가열 중 금속 막대의 길이 변화(팽창)를 측정 장치를 통해 실시간으로 기록합니다.

③ 온도 측정

• 가열된 상태의 금속 표면 또는 중심부 온도를 온도계 또는 열전대로 측정합니다.

• 최종 온도 $T_1$와 초기 온도 $T_0$의 차이 $\Delta T$를 계산합니다.

④ 데이터 정리

• 길이 변화 $\Delta L = L_1 - L_0$를 계산합니다.

• 계산식에 따라 $\alpha = \frac{\Delta L}{L_0 \cdot \Delta T}$로 팽창 계수를 구합니다.

5. 예시 데이터 및 계산

측정 항목	값
초기 길이 $L_0$	0.500 m
길이 변화 $\Delta L$	0.0009 m
온도 변화 $\Delta T$	60°C
계산된 팽창 계수 $\alpha$	$$\alpha = \frac{0.0009}{0.5 \cdot 60} = 3.0 \times 10^{-5} \, \text{(1/°C)}$$

6. 실험 팁

• 팽창량이 작기 때문에 정밀한 측정 장비(마이크로미터, 다이얼 게이지 등)를 사용하는 것이 좋습니다.

• 온도는 가능한 정확하게 측정하며, 열전달이 고르게 이루어지도록 가열 시간과 방법을 조절합니다.

• 다양한 금속(구리, 철, 알루미늄 등)을 비교 실험하여 물질별 특성을 분석해보세요.

결론

이번 실험을 통해 금속이 온도 변화에 따라 선형적으로 팽창함을 확인하고, 열팽창 계수라는 물리량을 정량적으로 측정할 수 있었습니다. 열팽창 계수는 건축, 기계, 전자 등 다양한 산업 분야에서 재료 선택과 구조 설계에 매우 중요한 역할을 합니다.

정밀한 측정과 체계적인 데이터 분석을 통해 물리학의 열역학 및 재료 과학 개념을 실제로 적용하는 경험을 할 수 있으며, 다양한 금속 간의 열팽창 특성을 비교해보는 것도 좋은 확장 실험이 될 수 있습니다.