열팽창

체육 시간에 줄을 맞춰 서 있다고 생각해 볼게요. 추운 날에는 다들 어깨를 움츠리고 바짝 붙어 서요. 그런데 몸이 풀리고 신이 나면 팔을 흔들며 자리를 넓게 쓰죠. 사람 수는 그대로인데 줄 전체는 눈에 띄게 길어져요.

물체 안에서도 이런 일이 벌어져요. 물체는 아주 작은 알갱이들이 서로 손을 잡듯 붙어 있는 덩어리예요. 온도가 올라간다는 것은 이 알갱이들이 제자리에서 더 크게 흔들린다는 뜻이에요.

크게 흔들릴수록 옆 알갱이와 부딪히지 않으려면 사이가 조금 벌어져야 해요. 알갱이 하나하나가 부풀어 오른 것이 아니라 알갱이 사이의 간격이 넓어진 거예요. 그 작은 간격들이 물체 전체에 차곡차곡 쌓여 길이와 부피로 나타나요.

줄을 선 사람이 많을수록 팔을 벌렸을 때 줄이 더 많이 길어지겠죠. 한 사람이 벌린 팔 너비는 얼마 되지 않아도, 줄이 길면 그 작은 차이가 여러 번 더해지니까요. 물체도 길수록 늘어나는 양이 커지는 이유가 같아요.

강철 1미터짜리 막대는 온도가 100도 올라가도 1밀리미터 남짓 늘어날 뿐이에요. 손으로는 알아채기 어려운 크기죠. 그런데 같은 비율로 1킬로미터짜리 철로를 계산하면 1미터가 넘게 늘어나는 셈이 돼요.

갈 곳 없이 꽉 눌린 철로는 옆으로 휘어지며 솟아오를 수 있어요. 그래서 철로와 다리에는 처음부터 늘어날 자리를 미리 비워 둔 이음새를 넣어요. 여름에 좁아지고 겨울에 넓어지는 그 틈이 사고를 막아 줘요. 고속철도처럼 레일을 길게 이어 붙인 장대레일은 레일을 단단히 붙잡아 가운데가 늘어나지 못하게 하고, 끝부분에만 신축이음매를 둬요.

긴 배관이나 다리 상판에 미끄러지는 받침을 끼워 두는 것도 같은 이유예요.

철로 이야기로 돌아와 볼게요. 물체가 더워지면 사진을 확대하듯 전체가 같은 비율로 커져요. 그래서 가운데 뚫린 구멍도 함께 커져요. 잘 안 열리는 유리병의 금속 뚜껑을 뜨거운 물에 담그면 헐거워지는 까닭도 여기에 있어요. 뚜껑의 안쪽 둘레가 커지는데, 금속이 유리보다 더 많이 늘어나서 틈이 생기거든요.

다만 늘어나는 정도는 물질마다 달라요. 같은 온도만큼 데워도 금속은 많이, 유리는 적게 늘어나요. 성질이 다른 두 금속을 얇게 붙여 두면 한쪽이 더 늘어나면서 막대가 저절로 휘어져요. 이 성질로 온도를 재거나 전기를 끊는 장치를 만들어요.

물은 이 규칙에서 살짝 벗어나요. 대부분의 구간에서는 데울수록 부피가 늘지만, 0℃와 4℃ 사이에서는 거꾸로 차가워질수록 부피가 늘어나요. 그래서 물은 4℃일 때 같은 부피가 가장 무거워요. 얼음이 될 때 부피가 커지는 것은 이와는 또 다른 이야기로, 물이 얼면서 알갱이가 성기게 배열되기 때문이에요. 겨울에 물이 가득 든 병을 얼리면 병이 터지는 것도 그래서예요.

그러니 온도가 오르면 늘어난다는 규칙은 대부분의 고체와 액체에 잘 들어맞아요. 다만 얼마나 늘어나는지는 물질을 봐야 알 수 있어요.