열팽창 계산기

열팽창은 온도 변화에 따라 물질의 치수가 변하는 경향입니다. 물질이 가열되면 입자 진동이 더 활발해져 더 많은 공간이 필요하므로 재료가 팽창합니다. 반대로 냉각되면 입자 운동이 감소하여 수축이 일어납니다. 이 현상은 고체, 액체, 기체에서 모두 나타나지만, 상태에 따라 크기와 거동은 크게 다릅니다. 고체의 열팽창은 보통 선형 열팽창계수(α)로 나타내며 단위는 1/°C 또는 1/K입니다. 선팽창의 기본식은 ΔL = α × L₀ × ΔT이며, 여기서 ΔL은 길이 변화, L₀는 원래 길이, ΔT는 온도 변화입니다. 면적 팽창은 ΔA = 2α × A₀ × ΔT, 체적 팽창은 ΔV = 3α × V₀ × ΔT를 사용합니다. 2와 3의 계수는 각각 2차원과 3차원 팽창에서 비롯되며, 재료가 등방성(모든 방향에서 동일하게 팽창)이라고 가정합니다. 재료별 팽창 계수는 크게 다릅니다. 알루미늄(23.1 × 10⁻⁶/°C)은 같은 온도 변화에서 강철(11.7 × 10⁻⁶/°C)보다 약 두 배 더 팽창합니다. 제로 팽창을 목표로 설계된 유리세라믹(Zerodur, α ≈ 0.05 × 10⁻⁶/°C)은 망원경 거울과 정밀 기기에 사용됩니다. Invar는 니켈-철 합금으로, 매우 낮은 팽창 계수(1.2 × 10⁻⁶/°C)를 가지며 측지 기준 장비와 지진계에 사용됩니다. 토목 및 구조공학에서는 열팽창이 매우 중요한 설계 요소입니다. 철도 레일은 여름에 팽창하므로 좌굴을 방지하기 위해 신축 공간이 필요합니다. 긴 다리는 연간 온도 주기 동안 수 센티미터에 이르는 열 이동을 흡수하기 위해 50~100 m마다 신축 이음이 필요합니다. 콘크리트 구조물도 제어 줄눈이 필요한데, 콘크리트의 팽창 계수는 철근의 팽창 계수와 거의 비슷해 철근콘크리트가 온도 범위 전반에서 구조적으로 안정하게 유지되는 데 도움이 됩니다. 기계 및 전자공학에서는 서로 다른 재료를 접합하거나 구속할 때 열팽창 불일치로 인해 고장이 발생할 수 있습니다. 인쇄회로기판은 솔더 합금, 구리 배선, 에폭시 기판이 열 사이클 중 서로 다른 속도로 팽창해 박리가 생길 수 있습니다. 엔진 부품은 예열과 운전 중의 열팽창을 고려한 정밀한 간극으로 설계되어야 합니다. 정밀 기기와 광학 시스템은 온도 보상 설계나 팽창 계수가 맞는 재료를 사용해 작동 온도 범위 전반에서 정확도를 유지합니다.