열팽창 계수정의 열팽창계수 사례 개인의견 및 시사점

1)열팽창 계수란? 

온도가 1℃ 상승함에 따라 증가하는 체적을 0℃일 때의 체적으로 제한 몫을 체팽창계수라고 한다. 세상의 물질은 온도의 상승에 따라 팽창을 하게 되는데 이를 열팽창(thermal expansion)이라고 한다. 하지만 물질의 종류에 따라 열팽창의 정도 차이가 발생하는데 이에 대한 구분은 ‘열팽창계수’의 크고 작음으로 나타낸다. 일반적으로 열팽창의 단위는 측정학에서 주로 사용하고 있는 20°C를 기준으로 하여 1℃ 증가 시 기준으로 PPM(Part Per Million) 미터로 정의하고 있다. 예를 들어 열팽창계수가 10~12ppm/℃인 Steel의 경우 1℃ 증가할 때마다 1미터당 10~12㎛씩 팽창한다. 

 

2)열팽창 계수 사례 3가지 

(1)수은온도계 

우리 생활에서 물질의 열팽창을 이용한 대표적인 사례가 바로 수은온도계이다. 어는 점이 -39℃라서 상온에서 유일하게 액체상태 금속인 수은을 유리 모세관에 넣은 후 공기를 빼고 얼음이 융해되려는 그릇 속에 넣었을 때 수은사가 정지되는 점을 0℃로 하고 끓는 물 속에서 수은사가 정지되는 점을 100℃(기압 760 mmHg)로 하여 이 사이를 100등분해 온도 눈금을 제작하는 것이다. 영하의 눈금은 다시 영상의 눈금과 같은 간격으로 등분한다. 물론 수은온도계는 수은의 끊는 점인 357℃ 이하에서만 사용할 수 있다.

(2)서모스탯(thermostat) 

수온조절기 또는 정온기라고도 하며, 냉각 펌프와 라디에이터 사이에 설치되어 냉각수의 온도에 따라 밸브가 열리거나 닫혀 엔진의 온도를 항상 일정하게 조절하는 장치이다. 

물리적 시스템의 온도를 감지하고 시스템 온도가 원하는 설정 점 근처에서 유지되도록 조치를 수행하는 구성 요소이다. 

이때 냉각수통로를 조절하기 위하여 열팽창계수가 높은 왁스 또는 필릿의 재질을 이용하여 냉각수 온도가 낮으면 수축하여 밸브가 닫히게 되고, 냉각수 온도가 올라가 76∼83℃가 되면 열팽창을 하여 밸브가 열리기 시작하며, 95℃정도가 되면 완전 개방되어 냉각수를 라디에이터로 순환시키게 된다. 서모스탯의 종류에는 벨로즈형과 펠릿형이 있는데

벨로즈형은 휘발성이 높은 액체(에테르나 알콜)를 금속으로 만들어진 벨로즈에 봉입하면 냉각수 온도에 따라 액체의 부피가 변화되면서 벨로우즈가 팽창하거나 수축하면서 벨로즈에 연결된 밸브가 냉각수 통로를 여닫으면서 냉각수 온도를 조절하는 형식이다. 

펠릿형은 실린더에 왁스와 합성고무를 넣고 합성고무쪽에 축을 연결하고 고정시킨 형식으로 냉각수 온도가 상승하면 실린더속의 고체상태인 왁스가 액체로 변화되면서 부피가 증가하여 실린더가 축의 반대방향으로 움직이면서 실린더와 일체로 된 밸브가 스프링의 힘을 이기고 열리게 된다. 

(3) 바이메탈 

금속의 종류에 따라 열팽창하는 정도가 다른 것을 이용한 장치로 바이메탈은 열팽창률이 다른 두 금속을 맞붙여 놓은 것이다. 바이메탈의 온도가 올라가면 두 가지 금속이 동시에 늘어나지만, 늘어나는 정도는 다른 열팽창률이 큰 금속이 열팽창률이 작은 금속에 비해 더 많이 늘어나면서 열팽창률이 작은 금속 쪽으로 휘어지게 되기 때문이다. 이때, 바이메탈의 온도가 다시 내려가면 휘어졌던 바이메탈이 원래의 모양을 되찾게 되는 원리를 이용하여 주로 온도 조절 장치로 사용한다. 온도가 올라가기 전에는 회로에 연결되어 있어 전류를 흐를 수 있게 하다가 온도가 올라가면 바이메탈이 휘어지면서 회로에서 분리되어 전류를 흐르지 못하게 한다. 바이메탈은 전기 다리미, 전기 주전자, 전기 난로, 에어컨, 냉장고 등 온도 조절이 필요한 장치에 사용되고 있다.  

 

3)개인의견 및 시사점 

열팽창이란 열을받으면 팽창해서 커진다. 라고 단순히 알고 있었는데 이번 기회를 통해 열팽창에대해 조사해 봄으로써 열팽창계수의 개념에 대해 정확하고 구체적으로 알 수 있었고, 적용되는 사례들을 조사해봄으로써 단순히 열팽창 계수가 적용되는구나가 아닌 바이메탈, 서모스탯 이라는 명칭을 가진 원리들이 실생활에 적용된다는 것도 공부 할 수 있었다. 마지막으로 레포트를 작성해 봄으로써 레포트의 출처를 작성하는데에도 양식이 있다는 것도 함께 공부 하고 그것을 적용해보는 시간을 갖을 수 있었다.