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온도에 따른 금속 시료의 길이 변화
설명
- 황동, 강철 및 유리로
만들어진 막대 튜브의 열팽창 길이를 측정할 수 있다.
- 순환 온도조절기(워터베스)를 통해 열손실을 최소화할 수 있다.
- 금속에 따른 선팽창 계수를 측정하고 이론 값과 비교할 수 있다.
구성품
실험이론
금속의 선팽창
열팽창이란 물질이 열을 받았을 때 그 부피가 커지는 현상을 말한다. 열을 받으면 물질을 이루는 입자들의 운동에너지가 커진다. 금속 막대(고체)에 열을 가하였을 때 막대의 길이가 늘어나는 현상을 금속의 선팽창이라 하며 온도가 상승에 따라 물체의 선팽창 정도를 나타낸 것을 선팽창 계수라고 한다.
고체의 길이는 온도(T)에 대한 함수로서 온도 상승에 따라 증가 되므로 다음과 같이 멱급수를 사용하여 표시할 수 있다.
Tip. β 이하의 항은 α 에 비해 매우 작기 때문에 실제 실험에서 측정하는 온도 범위 내에서는 무시한다.
고체의 온도가 T_1에서 T_2로 온도가 변화하였을 때 고체의 길이는 l_1과 l_2로 변화한다. 이때, 팽창한 고체의 길이(l_2)에 대한 식을 정리해보면 다음과 같다.
이 실험에서는 황동, 철, 유리로 만든 얇은 튜브의 선팽창 계수를 측정한다. 온도를 일정하게 유치하기 위해 순환 온도 조절기를 사용하여 뜨거운 물을 튜브 내부에 순환시킨다. 세가지 막대 튜브의 길이 변화는 다이어 게이지를 사용하여 측정할 수 있다.
예시
온도에 따른 금속 시료의 길이 변화