열을 가한 컬 금속

Science Buddies의 화끈한 과학 프로젝트

주요 개념물리학온도열팽창금속

소개 사람들을 위한 선물 포장을 좋아하시나요? 아마도 당신은 가위로 리본을 감아 본 적이 있을 것입니다(또는 다른 사람이 하는 것을 본 적이 있을 것입니다). 가위날을 리본의 한쪽 면으로 밀어넣을 때 리본이 왜 휘어지는지 궁금한 적이 있습니까? 그 대답은 가위날로 리본에 압력을 가하면 리본의 바깥층이 늘어나고 팽창한다는 것입니다. 이렇게 하면 리본의 외부 레이어가 날에 눌려지는 내부 레이어보다 길어집니다. 결과적으로 리본은 각 레이어의 서로 다른 길이를 보완하기 위해 말려집니다. 이 활동에서는 재료를 말리게 만들 수도 있습니다. 하지만 이러한 재료에는 가위가 필요하지 않습니다. 대신 열을 사용합니다!

배경 여러분은 아마도 물질이 가열되거나 냉각될 때 모양이나 부피가 변할 수 있다는 것을 알고 있거나 본 적이 있을 것입니다. 이는 모두 원자와 분자로 구성된 고체, 액체, 기체의 경우에도 마찬가지입니다. 일단 열에 노출되면 이 분자들은 진동하기 시작하고 더 빠르게 움직입니다. 이로 인해 분자가 퍼져서 더 많은 공간을 차지하게 됩니다. 결과적으로 재료는 뜨거워지면 약간 팽창합니다. 반면에 물질이 차가우면 분자의 움직임이 적어 공간을 덜 차지하게 됩니다. 따라서 재료는 차가워지면 수축됩니다. 모든 재료는 가열되면 팽창하지만 모두 같은 정도로 팽창하지는 않습니다. 가열될 때 재료가 얼마나 팽창하는지는 열팽창 계수로 설명됩니다. 예를 들어, 알루미늄은 온도를 섭씨 1도 올리면 미터당 21~24마이크로미터 팽창합니다.

물체가 두 가지 이상의 재료로 구성되면 어떻게 되나요? 가열되면 둘 다 다르게 팽창합니다! 실제로 다양한 열팽창 특성을 활용하는 바이메탈이라는 특수 재료가 있습니다. 바이메탈은 서로 샌드위치된 두 개의 서로 다른 금속 층으로 구성된 물체입니다. 바이메탈을 가열하면 금속 중 하나가 다른 금속보다 더 많이 팽창합니다. 이로 인해 선물 포장용 리본과 마찬가지로 바이메탈이 한 방향으로 휘어집니다. 이러한 효과 때문에 바이메탈은 포인터 다이얼 온도계(예: 오븐이나 냉장고에 사용되는 온도계)와 같이 온도 변화를 나타내는 데 자주 사용됩니다. 이 온도계 내부에는 바이메탈 코일이 포인터에 부착되어 있습니다. 온도가 변하면 바이메탈 코일의 변형량에 따라 포인터가 움직입니다.

이 활동에서는 다양한 열팽창 특성이 물체를 말리게 만드는 방법을 직접 확인하게 됩니다. 더위를 가져올 준비가 되셨나요?

재료

준비

절차

관찰 및 결과 촛불 위로 말려 있는 스트립 중 하나를 보셨나요? 당신은 가지고 있어야합니다! 전체가 알루미늄으로 된 스트립과 전체가 종이로 된 스트립은 불꽃 위에 올려놓았을 때 변하지 않아야 합니다. 이는 스트립의 두 레이어가 동일한 재료로 만들어졌기 때문입니다. 만졌을 때 알 수 있듯이 스트립이 뜨거워지면 두 레이어가 같은 양으로 팽창합니다. 그러나 스트립이 종이와 알루미늄으로 만든 것과 같이 두 가지 다른 재료로 구성된 경우에는 다른 일이 발생합니다.

종이/알루미늄 스트립을 불꽃 위에 올려놓으면 즉시 한 방향으로 구부러지거나 말리기 시작하는 것을 관찰했을 것입니다. 알루미늄 층이 양초를 향하면 위쪽으로 휘어지고, 알루미늄 층이 천장을 향하면 아래쪽으로 휘어집니다. 이는 불꽃 위에 있을 때 알루미늄과 종이층이 가열되기 때문입니다. 알루미늄은 열팽창 계수가 높기 때문에 종이보다 더 많이 팽창합니다. 종이와 알루미늄이 서로 접착되어 있기 때문에 알루미늄은 종이 스트립에서 말려져 각 레이어의 서로 다른 길이를 보완합니다. 마치 선물 포장 리본처럼 말려 있습니다! 열팽창 계수가 다른 두 가지 재료로 구성된 다른 스트립에서도 비슷한 결과를 볼 수 있습니다.