§1
실험 개요
고체의 길이는 온도에 따라 거의 선형으로 증가한다. 선열팽창계수 α = (1/L)(dL/dT)는 다리·철도·가스 파이프 설계의 핵심 변수다. 학부에서는 금속 막대를 가열하면서 길이 변화를 마이크로미터 또는 다이얼 게이지로 측정한다.
§2
이론 배경
선열팽창
ΔL = α L₀ ΔT. α는 재료별 상수(상온 부근). 강철 11~13×10⁻⁶ /K, 알루미늄 23×10⁻⁶ /K, 황동 19×10⁻⁶ /K.
체적 팽창
β = 3α (등방성 고체). 액체는 β만 정의 (모양 없음).
§3
실험 장치 및 시약
- — 열팽창 시험 장치(증기 가열식)
- — 다이얼 게이지 또는 마이크로미터
- — 온도계
- — 금속 막대 시편
§4
실험 절차
- 1.막대 초기 길이 L₀와 초기 온도 측정.
- 2.증기로 막대 가열, 5~10°C 간격으로 길이 변화 기록.
- 3.최고 온도(약 100°C) 도달 후 냉각 시 데이터도 수집.
§5
데이터 처리
ΔL vs ΔT 직선 회귀, 기울기/L₀ = α. 측정 α를 표준값과 비교.
§6
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
α가 온도에 약간 의존하지만 학부 범위에서는 상수로 가정.
§7
자주 하는 실수
- — 온도 측정 위치(막대 중심 vs 표면) 차이
- — 온도가 균일해질 시간 부족
- — 마이크로미터 영점 보정 누락
§8
자주 묻는 질문
Q. 왜 가열·냉각 데이터가 일치 안 하나요?
온도 측정 위치와 시편 내부 온도의 시간 지연(thermal lag) 때문입니다. 가열 중에는 시편 온도 < 측정 온도, 냉각 중에는 반대. 두 데이터를 평균하면 정확한 평형값에 가까워집니다.
Q. 다리에 expansion joint가 왜 필요한가요?
100 m 강철 다리가 −20°C에서 40°C로 변하면 ΔL = 11×10⁻⁶ × 100 × 60 = 66 mm 늘어납니다. expansion joint 없이 고정하면 거대한 열응력으로 구조물이 파괴됩니다. 모든 장구조물의 필수 요소.
§9
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Callister, W.D., Rethwisch, D.G. — Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley, 2018
- [2]Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. — Fundamentals of Physics, 12th ed., Wiley, 2021