온도에 따라 부피가 다른 금속의 고유한 성질: 열팽창

세상의 거의 모든 물질은 온도의 상승에 따라 팽창을 하게 되는데 이를 열팽창(thermal expansion)이라고 한다. 하지만 물질의 종류에 따라 열팽창의 정도 차이가 발생하는데 이에 대한 구분은 ‘열팽창계수’의 크고 작음으로 나타낸다. 일반적으로 열팽창의 단위는 측정학에서 주로 사용하고 있는 20°C를 기준으로 하여 1℃ 증가 시 기준으로 PPM(Part Per Million) 미터로 정의하고 있다

 

열팽창이란?
세상의 거의 모든 물질은 온도의 상승에 따라 팽창을 하게 되는데 이를 열팽창(thermal expansion)이라고 한다. 하지만 물질의 종류에 따라 열팽창의 정도 차이가 발생하는데 이에 대한 구분은 ‘열팽창계수’의 크고 작음으로 나타낸다. 일반적으로 열팽창의 단위는 측정학에서 주로 사용하고 있는 20°C를 기준으로 하여 1℃ 증가 시 기준으로 PPM(Part Per Million) 미터로 정의하고 있다. 예를 들어 열팽창계수가 10~12ppm/℃인 Steel의 경우 1℃ 증가할 때마다 1미터당 10~12㎛씩 팽창한다.

열팽창 성질을 이용한 수은온도계
우리 생활에서 물질의 열팽창을 이용한 대표적인 사례가 바로 수은온도계이다. 어는 점이 -39℃라서 상온에서 유일하게 액체상태 금속인 수은을 유리 모세관에 넣은 후 공기를 빼고 얼음이 융해되려는 그릇 속에 넣었을 때 수은사가 정지되는 점을 0℃로 하고 끓는 물 속에서 수은사가 정지되는 점을 100℃(기압 760 mmHg)로 하여 이 사이를 100등분해 온도 눈금을 제작하는 것이다. 영하의 눈금은 다시 영상의 눈금과 같은 간격으로 등분한다. 물론 수은온도계는 수은의 끊는 점인 357℃ 이하에서만 사용할 수 있다.

                 <그림 1> 열팽창을 이용한 수은온도계      


                                         <그림 2> 레일 이음매와 나무침목

기차가 ‘덜거덕’ 소리를 내며 달리는 이유
금속의 열팽창 원리를 이용한 또 다른 사례로 기차 레일을 들 수 있다. 철로 만든 레일은 기온의 변화에 따라 늘어나기도 하고 줄어들기도 한다. 여름철 기온이 높아지면 레일도 늘어나고 겨울철의 낮은 기온에서는 레일이 줄어든다. 때문에 레일을 만드는 표준길이인 25m 마다 기온의 변화에 따라 신축할 수 있는 틈을 주어 시공을 하는 것이다. 기차를 타고 여행할 때 ‘덜거덕 덜거덕’ 하는 소리가 나는 것이 바로 이 틈을 통과할 때 나는 소음 때문이다. 하지만 이러한 기차의 소음은 이제 추억의 소리로 사라질 것 전망이다.

소음과 진동을 줄인 장대레일
고속철도 KTX의 경우, 이음매가 없는 장대레일을 사용하고 있다. 장대레일이란 25m의 표준 레일 12개를 용접해서 만든 300m 길이의 레일이다. 이렇게 만들어진 레일은 놓여질 현장으로 운반된 후 다시 300m 사이를 용접으로 이어 설치된다. 따라서 고속철도 레일은 서울에서 부산까지 하나로 쭉 이어진 연속용접레일인 것이다. 때문에 시속 300km나 되는 엄청난 속도로 달려도 고속철도는 덜커덩거리는 소음과 진동이 적다.

장대레일은 밀도를 높인 무거운 소재로 만들어 수축과 팽창률을 최대한 줄였으며, 콘크리트로 만든 침목에 레일을 강하게 고정시켜 신축이 일어나지 않게 하였다. 또한 기온의 변화에 따른 신축을 최소화하기 위해 장대레일을 깔 때에도 최저 온도인 영하 20℃와 최고 온도인 60℃의 중간 값인 20℃의 온도 상태에서 부설한다.

한편 장대레일의 기술은 현재 일반철도 구간에도 적용하고 있다. 100m 길이의 장대레일을 사용하는 일반철도 구간은 2008년 1월 기준으로 전체 구간의 58%를 차지하고 있다.

                  <그림 3> 길이 300미터의 장대레일 운반모습

거스를 수 없는 자연의 법칙
그러나 이러한 노력에도 불구하고 폭염으로 레일온도가 50도 이상이 되면 KTX도 주의 운전에 돌입하고 55~60℃면 230㎞/h 이하, 레일온도가 60~63℃면 70㎞/h 이하의 속도로 운행해야 하며, 64℃를 초과하면 운행을 중지하게 된다. 철강기술 등의 발전이 많이 되었지만 열팽창이라는 자연 법칙은 아직까지는 완전히 거스를 수 없기 때문이다.

출처: POSCO연구소 이종민 연구위원