열팽창

1. 개요2. 실생활의 열팽창3. 창작물의 열팽창

3.1. 투장 다이모스3.2. 신세기 에반게리온3.3. 어떤 마술의 금서목록

1. 개요

熱膨脹, Thermal expansion

물체가 열을 받으면 부피가 커지는 현상. 부피가 커지는 정도를 열팽창계수(熱膨脹係數, Thermal expansion coefficient[1]) 또는 열팽창률이라고 부른다. 반대로 차가워지면 수축을 하게 된다.

부피가 커지는 정도는 고체 < 액체 < 기체 순으로 크며, 고체와 액체는 종류에 따라 열팽창계수가 달라지나, 기체는 똑같다.

반대로 열을 받으면 쪼그라드는 물질(음의 열팽창)도 있다. 수축튜브, 고기가 대표적.

2. 실생활의 열팽창

2000년도 이전에 대한민국에 부설됐던 철도의 선로는 일부러 사이에 약간의 틈을 떼어놓았다. 레일은 열팽창을 하는 게 당연하니까 여름철에 온도가 상승하여 레일이 팽창했을 때를 고려해서 빈틈을 만든 것. 중학교 과학 교과서에도 실리던 내용이며, 이때문에 잘 가던 열차 중간중간에 덜컹 하는 것이다. 그러나 2010년도 이후에는 핀과 침목이 버텨준다면 굳이 빈틈을 주지 않아도 된다는 것을 알아내었기 때문에 저속구간에서는 빈틈이 거의 없으며, 고속철의 경우 처음 용접할 때부터 300m 전 구간을 용접하는 형식으로 해서 열팽창에 대응한다. 그래도 필요하다면 빈틈을 대각선으로 만들고 이음새 부분에 팽창을 방지하는 자재들을 넣어 덜컹거림과 속도 저하를 최소화한다. 천천히 휘는 게 아니라 팽창된 힘이 모이고 모이다 한번에 휘어지기 때문에 상당히 위험하다.

마찬가지 이유로 전선은 일부러 느슨하게 설치[2]하는데 겨울철에 추워지면 전선이 수축해 끊길 수 있기 때문이다. 다만 이것이 전부는 아니고, 강풍이 불거나 겨울철에 눈이 쌓이는 등 전선에 과도하게 힘이 걸려 단선이 되는 것을 방지하기 위한 것도 있고 전신주에 걸리는 장력을 줄이기 위한 목적도 있다. 가공전차선 등 항상 팽팽하게 당겨져 있어야 하는 전선은 도르래와 추를 사용해서 열팽창에 대응한다. 가공전차선 전신주에 달려 있는 콘크리트 원반이 이 장력조절용 추이다.

지구온난화로 인한 해수면 상승은 빙하가 녹는 것 보다도 열팽창으로 인한 상승이 훨씬 크다.

뜨거운 컵이나 토기를 갑자기 차가운 물에 담그면 균열이 생길 수 있다. 유리나 토기의 경우 열전도율이 낮아 한쪽은 수축/팽창하는데 한쪽은 그대로라 열팽창과 열수축을 견디지 못해 사이가 벌어지는 것이다. 이 현상을 억제한 파이렉스제 유리 식기는 제조 당시에 미리 뜨거운 유리를 제어된 환경 하에서 급랭시켜서 유리 전체가 미리 응력을 가지게 하여 이 현상을 막는다. 석영유리는 이런 프리-스트레스를 주지 않지만 전체가 균일한 결정 구조를 가지고 있어서 분자구조 자체가 응력에 견딘다. 유리 뿐만이 아니라 열전도율이 낮거나 온도차가 매우 크면 웬만한 물질은 다 파손된다.

집적회로를 실장한 인쇄 회로 기판, 특히 BGA패키징에서는 이 열팽창 문제 때문에 바닥의 접점(솔더 볼)이 깨져 불량이 발생하기도 한다. 육안검사가 불가능하고 수리도 거의 불가능해(수리비가 새로 제조하는 가격보다 훨씬 비싸다) 반도체 기판 제조의 난이도를 높인다.

냉장고에 너무 오래 넣은 잼 뚜껑이 잘 안열릴 때 접시에 따뜻한 물을 약간 따른 뒤 잼병을 뒤집어서 뚜껑 부분만 물에 닿게 하면 열팽창으로 뚜껑이 늘어나면서 뚜껑과 병 사이의 틈이 커져서 쉽게 뚜껑을 열 수가 있다.

용접작업이 필요한 제품을 생산할 때에는 열팽창에 의한 뒤틀림을 고려하여 기존 설계치수보다 더 큰 자재를 이용해 용접 후 가공해야 정확한 치수를 얻을 수 있다.

찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 원래 상태로 되돌아간다. 내부의 공기의 열팽창 때문이다.[3]

바이메탈. 해당 문서 참고.

철근과 콘크리트의 열팽창정도는 거의 동일하기 때문에 우리가 철근 콘크리트로 집을 짓거나 할 수 있다.

낮엔 덥고 밤엔 영하까지 내려가는 사막에서는 열팽창으로 인한 구조약화가 매우 심각하다. 현존하는 이집트 피라미드의 석회암 외장이 대부분 벗겨진 이유가 열팽창으로 인한 구조 약화 + 약탈(...)이다. 허나 초창기 피라미드였던 스네프루의 굴절 피라미드는 당시 기술 한계로 인해 외장 석회암 블럭과 내장 화강암 블럭 사이에 틈이 벌어졌고, 이 덕분에 오히려 열팽창은 잘 버티게 되어 초창기 피라미드임에도 불구하고 가장 석회암 외장이 많이 남아있다.

3D 프린터 사용자들의 주적. 출력시 온도는 200도를 넘나들지만 챔버를 사용하더라도 기온은 60도정도라 이에 따라 어느정도의 수축이 발생하고, 심한 경우~~라고 쓰고 매번이라고 읽는다~~ 베드에서 떠올라 출력물 품질에 영향을 주거나 아예 출력이 망해 라면사리나 스파게티가 되기도 한다. 보통은 이를 방지하기 위해 베드에 Brim[4]이나 Raft[5]를 깐다. 다만 안정적으로 출력이 끝난 뒤에는 베드와 출력물의 열팽창 계수가 달라 베드가 식은 뒤에 출력물을 쉽게 떼내는 것이 가능하다.

자동차 엔진의 예열이 필요한 이유 중 하나. 엔진 작동시에는 연소와 마찰로 인해 열이 발생하고 이로 인해 부품이 열팽창하는데, 엔진 설계시에는 부품의 작동온도를 감안하여 설계하게 되는데, 예열이 되지 않아 너무 차가우면 부품간 간격이 너무 좁아 서로 마모/파손을 일으킬 수 있다. 반대로 과열되어 부품간 간격이 너무 멀어져도 문제가 된다. 엔진처럼 수많은 부품으로 이루어진 기계장치의 경우 어느정도 작동하여 열을 가지고 있을 때 갑자기 물을 붓거나 하면 각각 부품들의 팽창한 비율이 급격하게 달라져 마모나 변형이 가해지거나, 가스켓 틈새로 윤활유 등이 흘러나올 수 있다.
물을 가열하거나 냉각하면서 열 팽창과 수축이 발생하는데 열팽창으로 인한 압력 증가가 배관에 무리를 주는 것을 방지하기 위해 배관의 압력을 일정하게 유지시키는 팽창 탱크라는 것을 설치한다. 온수를 사용하는 급탕이나 공기조화 설비에서 주로 볼 수 있다. 개방형과 밀폐형이 있다.

열동식 밸브 액추에이터는 열팽창하는 물질이 든 감온부를 가지고 있거나 외부의 전기히터를 통해 물질을 열팽창시켜 그 압력으로 자동으로 밸브를 열거나 닫는 장치이다.

정찰기 SR-71의 경우 엄청난 순항속도로 인해 공기와의 마찰열로 비행중에 기체가 달아오르게 되는데, 이 때문에 열팽창을 고려하고 부품간에 유격이 생기도록 설계하여 초음속 비행중이 아닌 상황에는 연료 등이 틈으로 새어나온다.

3. 창작물의 열팽창

3.1. 투장 다이모스

다이모스의 열풍정권찌르기改는 프리저 스톰의 저온과 파이어 블리자드의 고온으로 열팽창 원리를 이용해 초탄성금속을 파괴하였다.

3.2. 신세기 에반게리온

<마그마 다이버> 에피소드에서 소류 아스카 랑그레이가 화산 용암 속의 사도 산달폰과 싸우면서 에반게리온 D형 장비의 냉각제를 사용해서 외피에 금이 가게 만든다. 여담으로 에피소드 초반부에 이카리 신지가 공부를 하면서 열팽창을 중얼거려서 복선을 깔아놓고 있다.

3.3. 어떤 마술의 금서목록

작가 카마치 카즈마의 물리학 방면 스노비즘이 가장 잘 드러난 부분이자 금서목록 최악의 열역학 오류. 그 외의 과학적 오류들은 어떤 마술의 금서목록/비판 문서 참고.

이 엉터리 서술이 등장한 것은 17권. 카미죠 토우마가 비행기를 납치한 두번째 테러리스트 에카 루고니[6]의 총에 커피를 뿌리자, 커피의 열로 총의 부품이 열팽창을 일으켜 사용할 수 없게 된다고 묘사하였다. 토우마는 자랑스럽게 열팽창으로 총을 못쓰게 만들었다고 소리치고, 테러리스트는 ~~어이가 없어서~~당황하다가 처맞고 쓰러져 체포당한다. 정확히는 이후 스테일이 비행기에 구멍을 내서 테러리스트가 빨려들게 하여 막이 역할을 하게 만들고 테러리스트가 마지막 발악으로 들고 있던 수류탄으로 자폭하려 하자 토우마가 수류탄을 뺏어버리면서 끝났다. 이 비행기 씬 자체가 쓸데없이 기장을 토우마에게 몽둥이로 맞아서 석궁 들고 날뛰는 악역처럼 묘사하다가[7] 어물어물 급마무리 짓는 등 병맛이 넘쳐난다. 다만 이 열팽창을 설명하는 건 어디까지나 카미조의 뇌피셜에 기반한 이론이고 작중에서는 말도 안되는 도박이라고 명기되어 있다. 특히 카미조의 과학적 지식은 학원도시내에서 낙제를 겨우 면할 수준이라는 점을 생각하면 실제로 열팽창이 원인으로 총이 불발하지 않았을 가능성도 있다.

원래 총은 내부에서 화약이 폭발하고, 연소반응 후 생긴 가스압으로 탄자를 추진, 발사하는 무기이다. 화약이 폭발할 때에는 엄청난 열과 압력이 발생한다. 그 열은 커피의 70~80도보다 훨씬 높은 섭씨 2000도 정도라 한 발만 쏴도 총이 뜨거워지는 것이다. 오히려 펄펄 끓는 물을 달아오른 총에 부어도 냉각수 취급이다. 군대를 다녀온 대한민국 성인 남성이라면 사격 훈련을 하고 나서 탄피를 확인할 때 탄피가 꽤 따뜻하거나 뜨겁다는 것을 현장에서 바로 알 수 있다. 권총도 한 발 격발에 급격하게 온도가 오르는데, 하물며 연사가 중요한 돌격소총이나 기관총은 당연히 더더욱 뜨거워진다. 그렇기에 총은 당연히 열에 잘 견디는 합금으로 만들어진다. 오히려 총열이 시뻘겋게 달아올라서 번쩍번쩍 빛이 나도 일단 발사는 된다. 기관총의 경우 오래 연사를 하다 보면 총신이 지나치게 뜨거워져서 휘어버리거나 약실까지 과열되면 쿡 오프가 일어날 수 있기 때문에, 수랭식 기관총의 경우 냉각 재킷을 두르고 공랭식 기관총의 경우 주기적으로 총신을 교체해 줘야 한다. 당연히 커피로 열팽창을 일으키는 것은 의미가 없다. 1m³의 스테인레스 스틸을 0도에서 100도로 가열했을 때의 팽창량이 겨우 1.73mm인데, 하물며 총기의 약실이 7cm라고 가정하면 늘어나는 부피는 겨우 0.1211mm에 불과하다. 흔히 보는 샤프심의 4분의 1정도 두께. 늘어나는 부피도 적은데다 거의 대부분의 부품이 똑같이 늘어나기 때문에 부품 간의 간격도 늘어나서 당연히 부품 간에 적용하는 항력 역시 온도가 올라가면 더 적을 수밖에 없다.

아래의 동영상은 총의 내열성이 얼마나 뛰어난지를 잘 보여주는 예시이다.

K5 권총을 얼린 다음 산탄총으로 쏘고, 불로 가열하는 내구도 실험. 영상의 총은 K5의 미국 수출용 제품인 'Lionheart LH9'.

사실 모든 억지를 동원해 열팽창으로 총이 끼었다고 한들 총은 멀쩡히 발사된다. 차탄장전이 안 되는 거지 약실의 총알은 잘만 나간다.

이 과학적으로 말이 안 되는 장면이 나중에 애니메이션에서 나오게 된다면 어떻게 처리하면 좋을지 많은 사람들이 기대(?)하고 있었는데, 해당 장면이 등장한 애니메이션 10화는 열팽창 대사는 그대로 나오지만 덕트로 부은 커피와 홍차로 파이프를 열팽창시켜 시선을 유도한 트릭을 밝히는 모습으로 바뀌었고, 총에는 커피가 아닌 양동이로 뜨거운 물을 부어버리는 장면이 되었고 총을 못 쓰게 된 듯한 묘사는 나오지 않았다.

코믹스에서는 아예 열팽창 대사 자체를 없애버렸다. 환풍구에 홍차를 부어 열팽창 트릭을 만드는 건 원작/애니메이션과 같지만 마찬가지로 시선 유도용 트릭이였으며, 그 사이 뒤에서 포트째로 들고 온 뜨거운 홍차를 테러범의 얼굴에 쏟아버린 뒤 테러범이 괴로워하는 틈에 총을 뺏어 던져버린 뒤 제압하는 걸로 바뀌었다. 덤으로 또 다른 문제장면인 기장 폭행도 삭제해버렸다.

현실에서 유사한 것이라면 기사 H&K G36이 있기는 하다. 물론 이건 총이 안 나가는 사태는 아니었고 설계상 문제로 인해 과열시 총의 정밀도가 심각하게 떨어졌던 것. 장거리 사격을 하는 총의 특성상 약간의 열팽창이라도 잘못되면 총의 조준점을 많이 틀어버릴 수 있다.

[1] Thermal coefficient of linear expansion이라고도 부른다. 기호로는 λ라고 쓴다. [math(\displaystyle \lambda = \frac{1}{L_0} \cdot \frac{\delta L}{\delta T})]로 정의된다.(여기에서 L₀는 초기 길이, δT는 절대온도 증분, δL은 길이 증분을 의미한다.) [2] 이 느슨해지는 정도를 '이도'라고 한다. [3] 다만 이런 공은 탁구 경기에선 사용할 수 없다. [4] 첫 레이어에 테두리를 넓게 붙이는 것. [5] 첫 레이어 아래에 떼어내기용 판 구조를 붙이는 것. [6] 첫번째 테러리스트는 자신이 하고 있는 일을 본 인덱스를 입막음하기위해 뼈로 만든 칼로 위협해서 조용한 곳에 데려간 뒤 목졸라 죽이려다 토우마에게 막히고, 토우마가 도망간 테러리스트를 잡은 뒤 인덱스를 죽이려했던 녀석이라서 더 두들겨팼다. 애니판에서는 토우마가 원펀치로 끝내고 테러리스트의 뼈칼도 부러지면서 끝났다. [7] 장황하게 어떤 식의 구조인지 설명하던 문제의 석궁은 결국 쏴 보지도 못한 채 조종실에 문제가 발생하여 기장이 돌아가는 것으로 끝난다. 기장은 그 이후 잔뜩 골이 났다는 식으로 묘사될 뿐 등장 없음. 게다가 이때 토우마는 인덱스가 죽을 뻔 했기 때문에 심하게 빡친 상태였다곤 하지만 일반인은 나서지 마라고 말리던 운항중인 비행기의 기장을 폭행한 건 중대한 테러행위다. 이건 토우마가 무력을 행사한 사례 중 거의 유일하게 옹호하기 힘든 부분이다. 그래서인지 애니판에서는 토우마가 기장의 멱살을 잡는 정도로 순화하고 기장이 석궁을 드는 건 없앴다.

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