우리 주변에서 볼 수 있는 '열팽창'

우리 주변에서 

볼 수 있는 '열팽창'

 

고체나 액체가 열을 얻으면 팽창하는 성질인 '열팽창'을 이용하고 있는 것들을 우리 주변에서 쉽게 찾을 수 있습니다. 바이메탈은 고체의 열팽창을 이용하는 대표적인 경우입니다. 또한 수레바퀴와 참나무통을 만들 때도 고체가 열팽창하는 성질을 이용합니다. 알코올 온도계와 수은 온도계는 액체가 열팽창하는 성질을 이용하는 경우입니다. 이에 대해 자세하게 살펴봅시다.

 

■ 바이메탈(bimetal)

금속의 종류에 따라 열팽창하는 정도가 다른 것을 이용한 장치가 바이메탈입니다. 바이메탈의 바이(bi)는 둘을 의미하고, 메탈(metal)은 금속을 의미하여, 즉 바이메탈(bimetal)은 두 종류의 금속이라는 뜻입니다. 바이메탈은 열팽창률이 다른 두 금속을 맞붙여 놓은 것입니다.

바이메탈의 온도가 올라가면 두 가지 금속이 동시에 늘어나지만, 늘어나는 정도는 다릅니다. 열팽창률이 큰 금속이 열팽창률이 작은 금속에 비해 더 많이 늘어나면서 열팽창률이 작은 금속 쪽으로 휘어지게 되는 것입니다. 이때, 바이메탈의 온도가 다시 내려가면 휘어졌던 바이메탈이 원래의 모양을 되찾게 됩니다. 바이메탈에 사용되는 금속 조합은 철-황동, 구리·아연 합금-니켈·철 합금 등이 있습니다.

바이메탈은 주로 온도 조절 장치로 사용됩니다. 온도가 올라가기 전에는 회로에 연결되어 있어 전류를 흐를 수 있게 하다가 온도가 올라가면 바이메탈이 휘어지면서 회로에서 분리되어 전류를 흐르지 못하게 합니다. 전기다리미를 사용해보면 다리미의 온도가 설정해 둔 온도보다 높아지면 자동으로 꺼졌다가 다리미가 식으면 다시 켜지는 것을 볼 수 있습니다. 바로 이 바이메탈 덕분에 다리미의 온도 조절이 가능한 것입니다. 바이메탈은 전기 다리미 외에도 전기 주전자, 전기 난로, 에어컨, 냉장고 등 온도 조절이 필요한 장치에 사용되고 있으며, 자동 개폐기, 바이메탈 온도계 등에도 사용되고 있습니다.

▲바이메탈의 원리(출처: 에듀넷)

■ 수레바퀴와 참나무통을 만들 때

나무 수레바퀴는 나무로 가운데 작은 원과 큰 바퀴 테를 만들고 그 사이를 다시 나무로 만든 바퀴살로 연결하여 만들게 됩니다. 바퀴살이 빠져서 수레바퀴가 부서지는 것을 막기 위해 고정시키는 테는 금속으로 만듭니다. 이 금속 바퀴 테는 바퀴살을 모두 끼운 후에, 불로 뜨겁게 달구어서 나무 바퀴 테에 끼웁니다. 이렇게 하면, 가열되어 팽창된 금속 바퀴 테가 식으면서 나무 바퀴 테를 조여 수레바퀴가 잘 고정되게 할 수 있습니다. 같은 방법으로 와인을 숙성시키고 보관하는 참나무통을 만들 때도 통 모양의 변형을 막기 위해 철로 만든 테를 만들어 끼웁니다.

▲열팽창을 이용한 수레바퀴와 참나무통(출처: 에듀넷)

■ 수은 온도계와 알코올 온도계

일기예보를 듣다보면 기온이 높고 낮음을 이야기할 때 “수은주가 올라가겠습니다”, “수은주가 내려가겠습니다”라는 표현을 사용하는 것을 들을 수 있습니다. 이 때 수은주(水銀柱)는 수은 기둥이라는 뜻으로 예전에 흔하게 사용했던 수은 온도계 안에 들어 있는 수은 기둥을 뜻하는 말입니다. 수은주가 올라가는 것은 수은 기둥의 길이가 길어진다는 뜻으로 기온이 상승하여 수은이 팽창했기 때문입니다. 즉, 수은주가 올라가는 것은 기온이 높아진다는 뜻이고, 수은주가 내려가는 것은 기온이 낮아진다는 뜻입니다.

예전에는 수은 온도계를 많이 사용하였습니다. 수은 온도계는 수은이 열을 받으면 팽창하는 성질을 이용한 것으로 온도계 안의 기둥에 보이는 은색 기둥이 어느 눈금까지 올라가는지를 측정하여 온도를 측정하도록 되어 있습니다. 수은이 팽창하는 동안 온도계를 구성하고 있는 몸체도 함께 팽창하게 됩니다. 하지만 몸체보다는 수은이 더 많이 팽창하기 때문에 온도가 변할 때 기둥의 길이가 달라질 수 있습니다. 단, 온도계 몸체의 팽창을 고려하여 수은 온도계의 눈금이 만들어져 있습니다.

그런데 수은 온도계가 깨지면 온도계 안에 들어 있는 수은이 밖으로 흘러나와 위험합니다. 수은 온도계가 깨져서 흘러나온 수은 방울을 오래 두면 물방울이 증발하는 것처럼 수은도 수은 증기로 증발이 됩니다. 이렇게 증발된 수은 증기가 피부와 호흡기를 통해 우리 몸속으로 들어오게 되면 우리 몸은 수은에 중독될 수 있기 때문에 빠르게 대처하는 것이 중요합니다. 수은을 치우기 위해 빗자루나 진공 청소기를 사용하면 수은 증기가 더 많이 날리게 되므로 수은을 제거할 때 빗자루나 진공 청소기는 사용하지 않도록 합니다.

수은 온도계가 깨지면 바로 환기를 시키면서, 주변의 빳빳한 종이나 카드 등을 이용하여 수은을 모으고, 테이프 등을 이용하여 아주 작은 방울까지 모두 모아야 합니다. 수은을 모을 때, 빛을 비추어 반짝이는 것을 찾으면 좀 더 쉽게 찾을 수 있습니다. 수은이 카펫에 떨어지거나 옷, 걸레 등에 묻으면 모두 폐기해야 합니다. 모아진 수은은 비닐봉지에 밀봉하여 폐기하면 됩니다. 수은의 이러한 위험을 예방하고자 2013년 1월 스위스 제네바에 세계 140여 개의 나라가 모여 2020년까지 수은이 들어간 배터리, 조명 기기, 화장품, 온도계의 제조와 수출입을 금지하는 국제 수은 협약에 합의했습니다.

우리가 실험실에서 일반적으로 사용하는 빨간색 기둥을 가진 온도계는 알코올 온도계입니다. 알코올은 열팽창률이 비교적 크기 때문에 기둥의 길이 변화로 온도를 측정하는 데 용이합니다. 수은 온도계와 마찬가지로 알코올 온도계도 알코올이 팽창하는 동안 온도계의 몸체가 함께 팽창하지만 알코올의 팽창률이 훨씬 크기 때문에 온도계로 이용될 수 있는 것입니다. 눈금은 몸체의 팽창을 고려하여 만들어져 있습니다. 그 밖에 적외선 온도계가 있으며, 이 온도계는 물체가 방출하는 적외선을 측정하는 온도계입니다. 물체의 온도에 따라 방출되는 적외선의 파장이 달라지게 되는데, 이를 이용한 온도계입니다. 바이메탈 온도계는 바이메탈의 성질을 이용한 온도계입니다.

▲여러 가지 온도계(출처: 에듀넷)