1. 증기발생기에서 생성된 수증기를 금속관 안으로 통과시킴으로써 금속관의 온도를 변화시킨다. 이러한 온도변화에 따라 금속관의 길이 변화가 관측된다. 이 실험치를 이용하여 금속의 선팽창계수를 결정한다. 여러 금속들의 선팽창계수를 결정하고 이를 통해 금속의 종류에 따른 열팽창 현상을 비교, 분석한다.
2. 대부분의 물체는 온도가 상승함에 따라 그 물체를 형성하고 있는 분자들의 열운동에 의해 팽창을 한다. 선팽창은 고체의 길이가 온도에 따라 변화하는 것을 말하며, 일반적으로 고체의 체적이 온도에 의해 변화되는 것을 체팽창이라 한다.
3. 온도가 올라감에 따라 물질이 일정한 비율로 팽창하는 것을 확인하고, 열팽창계를 이용하여 고체재료(황동, 스틸, 알루미늄)의 열팽창 현상을 이해한다.
4. 금속 막대를 이용하여 열에 의한 선팽창 계수 α의 값을 측정하고자 한다. 즉 온도 차이에 따른 고체의 선팽창 계수를 구하는 것이 이 실험의 목적이다.
길이가 s 인 고체는 온도 t에 선형 의존성을 가진다.
선형 팽창 계수 α 는 고체 물질의 재료에 의해서 결정된다. 온도는 상온 t1과 스팀 온도 t2사이의 차이로 주어지고, 그 때의 길이의 변화량 Δs는 상온에서의 길이, 전체길이 s1에 거의 선형으로 비례한다.
보다 명확하게 말하면 팽창 계수는,
열팽창이란 외부 열에 의해 물체를 구성하는 원자 또는 분자들 사이의 평균 간격이 커져서 물체의 길이 또는 부피가 증가하는 현상을 말한다. 가는 막대와 같은 1차원적인 구조에서는 온도변화에 따른 길이변화
와 같이 표현된다. 여기서 비례상수 a를 선팽창계수라고 부른다. 위 식을 이용하면 선팽창계수는 (3)과 같이 표현할 수 있다. 실험을 통해 ΔS, S0 가 구해지므로 위 식을 이용함으로써 선팽창계수를 결정할 수 있다. 그리고 3차원적인 열팽창은 부피팽창계수로 정의되며 대략 선팽창계수의 3배의 값을 가진다.
실험 방법
1. 실험 과정
1) 황동관의 한쪽은 증기발생기와 연결하고, 다른 쪽은 고무호스에 연결하여 비커에 놓아둔다.
2) 황동관의 고정핀과 다이얼 게이지에 고정시키는 Г자 부분 사이의 처음길이 (L0)를 측정한다.
3) 나사를 돌려 황동관을 고정시킨다.
4) 증기발생기에 물을 3/4가량 채운다.
5) 다이얼 게이지의 큰 시침 시작점을 0으로 조정하고 작은 시침의 위치를 기록한다. 큰 시침이 1회전 하는 동안 작은 시침은 1이 증가한다. 다이얼 게이지의 작은 시침의 단위는 1㎜이며 큰 시침의 단위는 0.01㎜이다.
6) 황동관의 처음 온도(T0)를 측정하기 위하여 그림 1과 같이 멀티미터를 이용하여 저항(R0)를 측정한다. 테이블에 표시되어 있는 표를 보고 저항을 온도로 변환한다. 테이블에 멀티미터로 측정한 저항값 표시가 없을 때에는 저항과 온도의 반비례 관계를 이용하여 구한다. 온도계를 이용할 경우에는 온도를 직접 측정할 수 있다.
7) 다이얼 게이지의 포인터가 최고의 변화를 나타낼 때의 위치를 기록하고 동시에 저항(Rhot)을 측정한다. 만약 미세한 온도 변화가 있어 시침과 저항에 계속 작은 변동이 생긴다면 측정값은 평균값으로 정한다.
8) 식 △L/L0△T을 이용해 선팽창계수(α)를 계산하여 표에 기록한다.
9) 황동관을 강철관, 알루미늄 관으로 교체하여 위의 실험을 반복한다. 이때 황동관이 뜨거워져 있으므로 충분히 식은 후에 교체하도록 한다.
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