여러가지 액체의 열팽창

여러 가지 액체의 열팽창 

■ 액체의 열팽창

물질의 온도가 높아지면 분자들의 운동이 활발해져 분자와 분자 사이의 간격이 멀어집니다. 또한 부피가 증가하게 됩니다. 액체를 구성하는 분자들이 고체를 구성하는 분자들보다 더 자유롭게 움직이기 때문에 온도가 변하는 정도가 같을 경우 액체가 고체보다 열팽창 정도가 더 큽니다. 액체의 열팽창률이 고체의 열팽창률보다 대략 10배 정도 더 크다고 알려져 있습니다.

 

여름철이 되면 겨울철에 비해 해수면이 상승하게 되는데, 이것은 바닷물의 온도가 올라가면서 부피가 팽창하기 때문입니다. 또한 지구 온난화로 인해 해수면이 상승하는 것의 이유 중 하나가 바닷물의 온도 상승으로 인한 부피 팽창이라고 합니다. 냄비에 물을 가득 채운 후에 가열하면 물이 흘러넘치는 것을 관찰할 수 있습니다. 이러한 현상이 나타나는 것도 역시 물이 열팽창하기 때문입니다. 물이 열팽창하는 동안 냄비도 함께 열팽창을 하지만, 냄비가 팽창하는 정도보다 물이 팽창하는 정도가 더 크기 때문에 물이 냄비 밖으로 넘치게 되는 것입니다.

 

 

■ 여러 가지 액체의 열팽창

여러 가지 액체의 열팽창을 확인하기 위해서 같은 크기의 유리병에 액체를 가득 담고, 가는 관을 끼운 뚜껑을 덮은 후 관 속으로 보이는 액체의 처음 높이를 표시합니다. 액체를 담은 유리병을 뜨거운 물에 담근 후 시간이 흐르면 액체가 관을 따라 올라가는 모습을 볼 수 있습니다. 이때 액체의 종류에 따라 처음 눈금에서 액체의 올라간 정도가 달라집니다. 수은, 글리세린, 벤젠, 물, 에탄올을 비교하면 보통 ‘벤젠 > 에탄올 > 글리세린 > 물 = 수은’ 의 순서로 액체의 부피가 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 이렇게 액체의 부피가 팽창하는 정도를 ‘열팽창 계수’라는 것으로 정량화하여 나타낼 수 있습니다.

▲ 여러 가지 액체의 열팽창

▲ 여러 가지 액체의 열팽창 계수

■ 물의 열팽창

모든 액체가 온도가 올라갈 때 부피가 팽창하는 것은 아닙니다. 물의 경우 4℃ 이상에서는 온도가 올라갈 때 부피가 팽창하지만, 4℃ 이하에서는 온도가 올라갈 때 부피가 줄어드는 특징을 가지고 있습니다. 또한 순수한 실리콘도 -255℃~-153℃에서 온도가 올라갈 때 부피가 줄어듭니다. 이와 같이 온도가 증가할 때 부피가 수축하는 것을 열수축이라고 부르지 않고 ‘음의 열팽창’이라고 부릅니다.

물은 0℃~4℃에서 음의 열팽창이 일어납니다. 4℃보다 온도가 높은 물을 냉각시키면 부피가 점점 작아지는데, 4℃에서 가장 부피가 작아집니다. 4℃ 이하에서는 물을 냉각시킬수록 부피가 증가합니다. 이 때문에 같은 부피의 물의 질량을 비교했을 때 4℃의 물의 가장 질량이 크다고 할 수 있습니다. 그러면 왜 물을 냉각시킬 때 음의 열팽창이 일어나는 것일까요?

이것은 물이 얼음이 될 때 분자 배열이 달라지기 때문입니다. 물이 액체 상태일 때는 물 분자가 불규칙적으로 존재하는데, 물이 고체 상태인 얼음이 되면, 물 분자들이 규칙적으로 배열됩니다. 이때 규칙적으로 배열된 물 분자들 사이의 공간이 불규칙하게 존재할 때보다 더 넓어지면서 액체상태일 때보다 부피가 늘어나게 되는 것입니다. 물은 고체가 되면서 액체일 때보다 부피가 약 10%정도 커진다고 합니다. 물을 냉각시킬 때 4℃ 이하부터는 물이 어는 온도인 0℃에 가까워지면서 물 분자들이 점점 규칙적으로 배열되기 때문에 물의 부피가 증가하는 것입니다. 일정한 부피에 대한 질량을 밀도라고 합니다. 여기서 부피가 증가한다는 것은 밀도가 감소한다는 의미가 됩니다.

▲ 물의 부피 변화

■ 물의 ‘음의 열팽창’과 생태계

물이 얼기 전에 부피가 늘어나는 이러한 성질은 자연의 생태계를 지켜 주는 중요한 역할을 합니다. 강, 연못, 호수의 물은 차가운 공기와 닿아 있는 표면부터 온도가 내려갑니다. 만약 다른 물질들처럼 물의 온도가 내려갈 때 부피가 줄어든다면 차가운 물이 아래로 가라앉으면서 물이 아래에서부터 얼기 시작하거나, 언 얼음이 아래로 가라앉을 것입니다. 만약 이렇게 물이 아래에서부터 얼게 된다면 강이나 연못, 호수의 물 전체가 얼어붙게 되어, 물고기가 생존할 수 없었을 것이고, 따라서 생태계 전체가 존재할 수도 없었을 것입니다. 하지만 물은 4℃에서 부피가 가장 작고, 온도가 더 내려가면 부피가 커지기 때문에 강, 연못, 호수의 물이 표면부터 얼게 되어, 그러한 일은 일어나지 않는 것입니다.

물의 전체 온도가 4℃가 될 때까지 냉각되는 동안에는 표면의 물이 계속 가라앉게 됩니다. 하지만 물의 온도가 4℃ 이하가 되면 물 분자가 규칙적으로 배열되려는 경향을 가지면서 부피가 커지기 때문에 4℃ 이하로 냉각된 물이 더 이상 아래로 내려가지 않게 됩니다. 이러한 상태는 물의 표면 온도가 0℃로 내려갈 때 까지 유지되고, 결국 물은 표면부터 얼게 됩니다.

▲ 표면부터 어는 호수