물리학 실험 보고서_5-1 고체의 선팽창 계수 측정 예비 보고서_Ver2_200516_R0

1. 실험목적

 대부분의 물체는 온도가 상승함에 따라 그 물체를 형성하고 있는 분자들의 열운동에 의해 팽창을 한다. 선팽창은 고체의 길이가 온도에 따라 변화하는 것을 말하며, 일반적으로 고체의 체적이 온도에 의해 변화되는 것을 체팽창(valume expansion)이라 한다.

본 실험에서는 금속막대(우리조는 알루미늄)를 이용하여 열에 의한 선팽창 계수 α의 값을 측정하였다.

 

2. 실험원리

임의의 온도 변화(

) 와 그때의 길이의 변화량(

)을 측정하면 이 알루미늄 막대의 선팽창 계수 α를 구할 수 있다.

 

처음 온도

나중 온도

처음 길이

나중 길이

 

여기서

은 온도차

에 대한 선팽창을 나타낸다.

 

3. 측정값

처음 알루미늄의 길이 : 642㎜

길이의 변화량

: 0.96㎜

온도의 변화량

= 95.5℃-23.5℃ = 69℃

측정값에 의한 선평창 계수 =

 

정밀한 실험에서 알루미늄의 선팽창 계수 =

 

오차의 비율 10%

 

4. 결과

모든 물체는 대체로 온도가 올라가면 부피가 팽창하게 된다. 고체는 부피와 함께 길이, 면적도 팽창한다.

온도가 올라가면서 길이가 팽창하는 것을 선팽창, 부피가 팽창하는 것을 부피 팽창이라 하고 이들을 합해서 열팽창이라고 한다.

이것은 온도가 올라가면 열팽창하는 것은 분자 또는 원자들의 운동이 활발해져서 분자 또는 원자들의 평균 거리가 커지기 때문이다.

고체의 팽창 - 선팽창

처음 길이가 642㎜인 고체 막대를 가열해서 온도가 63℃만큼 변했을 때 막대의 길이가 642.96㎜가 되었다. . 여기서 늘어난 길이는 처음 길이에 비례하고 상승한 온도에 비례한다.

 

선팽창 계수는 단위 길이당 1 ℃ 상승할 때 늘어난 길이이다.

고체가 열을받을 때 길이외 부피도 팽창하는데 여기서는 부피 팽창 계수로 단위 부피당 1 ℃ 상승할 때 늘어난 부피로 선팽창 계수의 약 3배이다. 다음 그림들은 고체의 팽창의 예이다

 

 

5. 오차요인

 

선팽창 계수를 측정할 때 긴 원통에 수증기를 이용하여 전체적인 온도를 높였다.

그렇다면

 

⑴ 온도가 균일하게 골고루 알루미늄에 전달 되었을까?

혹시 원통안이 매끄럽지 않고 굴곡이 있다면 그 안에서 수증기가 액화되어 이슬점 이하의 상태에 이르면 물로 된다. 그러면 일시적으로 온도가 떨어져서 정확한 데이터를 얻기 힘들어진다. 또한 수증기가 직접적으로 들어간 부분은 팽창되고 그렇지 않은 부분은 덜 늘어났을 것이다. 또한 수증기의 열은 길이 외 부피의 변화에도 영향을 주어 정확한 선팽창의 계수를 측정하지 못한 요인이 되었을것이다.

 

⑵ 수증기를 만들어 내는 물이 적당하게 있었을까?

물이 부족하였하여 다시 물을 부어 데웠다면 온도변화 영향을 주었을것이다.

 

⑶ 마이크로미터의 눈금을 정확히 읽었을까?

이 실험은 온도에 따른 길이의 변화가 아주 중요하다. 그래서 1/1000㎜까지 읽어냈어야 한다.

 

⑷ 기타

알루미늄 막대의 순도가 100％인지 마이크로미터 및 처음 길이를 쟀던 줄자의 정확도를 확인해야한다.

 

6. 느낌

우리조의 알루미늄의 선팽창 계수 실험은 비교적 알루미늄이 잘 늘어가는(?)것이라서 실험했지만 다른 물질(잘 늘어나지 않는것)로 실험했다면 어떻게 구할지 궁금했다. 적은 수치까지 계산할 수 있는 장비는 아마 비쌀 것이라 생각된다. 국산이 있을까? 에어트렉도 유럽에서 수입해왔던데...

우리가 쉽게 사용하고 있는 열기구 예를 들면 다리미, 선풍기 뒤쪽, 전기밥솥같은 것도 제품의 안전과 영구적 사용을 위해 물질의 선팽계수를 고려해서 만들어졌을 것이라고 이 실험을 통해 유추할 수 있었다. 그리고 아주 뜨거운 여름이면 기차레일사이가 ㅅ자가 될 수도 있을거라 생각하니 우스었다. 기차가 잘 달릴수 있을까? 엄청난 마찰을 뚫고?

 

7. 참고

그림 http://cysics.com.ne.kr/high/energy/gas/k15.html

내용 및 그림 http://pauli.phys.pusan.ac.kr/exp/experiment/ex2-3/EX2-3.html

온도의 여러 가지 종류 및 그에 따른 간단한 문제들 http://phys.kyungwon.ac.kr/internet-class/general-physics99/CH10/Ch10.htm