재료의 열적 성질

비열의 뒬롱-프티 법칙과 디바이 T³ 법칙, 금속과 절연체의 열 운반체, 비데만-프란츠 법칙, 열확산율과 그 측정, 열팽창의 기원, 인바, 열충격에 강한 재료를 3지선다 문제로 학습합니다.

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재료의 열적 성질 핵심 정리

고체의 열적 성질 대부분은 원자의 진동을 양자화한 포논으로 설명할 수 있습니다. 상온 부근에서 많은 원소의 몰 비열은 약 3R이지만, 저온에서는 진동이 잘 여기되지 않아 절연체의 비열은 T³에 비례하여 작아집니다. 열은 금속에서는 주로 전도 전자가, 절연체에서는 포논이 운반하며, 금속의 열전도율은 전기 전도도와 비데만-프란츠 법칙으로 연결됩니다.

열전도율이 정상 상태에서 열이 흐르기 쉬운 정도를 나타내는 반면, 열확산율 α = κ/(ρc)는 온도 변화가 전달되는 속도를 나타내며 레이저 플래시법으로 측정할 수 있습니다. 열팽창은 원자 간 퍼텐셜의 비대칭성에서 생기며, 결합이 강한 재료일수록 작아집니다. 급격한 온도 변화로 균열이 생기는 열충격에는 선팽창 계수가 작은 재료일수록 강합니다.

재료의 열적 성질 문제 목록(15문제)

  1. 뒬롱-프티 법칙에서는 실온 부근에서 많은 고체 원소의 몰 비열이 약 3R(R은 기체 상수 8.31 J/(mol·K))이 된다. 알루미늄(몰 질량 26.98 g/mol)의 질량당 비열을 이 법칙으로 어림하면 가장 가까운 것은 무엇인가?
  2. 디바이 온도보다 충분히 낮은 온도에서 절연체 결정의 비열(격자 비열)은 온도에 따라 어떻게 변하는가?
  3. 다이아몬드는 전기 절연체인데도 실온의 열전도율이 약 2000 W/(m·K)로 구리(약 400 W/(m·K))보다 크다. 주된 이유는 무엇인가?
  4. 비데만-프란츠 법칙 κ = LσT(로렌츠 수 L = 2.44×10⁻⁸ W·Ω/K²)를 써서, 300 K에서 전기 전도도 σ = 5.9×10⁷ S/m인 구리의 열전도율을 어림하면 가장 가까운 것은 무엇인가?
  5. 순수 구리(실온의 열전도율 약 400 W/(m·K))에 아연을 약 30% 고용시킨 황동에서는 열전도율이 약 120 W/(m·K)로 낮아진다. 주된 이유는 무엇인가?
  6. 절연체 단결정의 격자 열전도율은 디바이 온도와 같은 정도 이상의 온도에서는 온도를 올리면 대략 1/T에 비례하여 낮아진다. 주된 이유는 무엇인가?
  7. 실리콘(밀도 2330 kg/m³, 비열 700 J/(kg·K))의 실온 열전도율을 150 W/(m·K), 포논의 평균 속도를 6000 m/s라고 한다. 기체 분자 운동론과 같은 형태의 식 κ = (1/3)Cvl(C는 부피당 비열)로부터 포논의 평균 자유 행로 l을 어림하면 가장 가까운 것은 무엇인가?
  8. 알루미늄(열전도율 237 W/(m·K), 밀도 2700 kg/m³, 비열 900 J/(kg·K))의 열확산율 α = κ/(ρc)에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  9. 같은 실온(약 20℃)에 충분히 오래 둔 금속판과 나무판을 손으로 만지면 금속 쪽이 더 차갑게 느껴진다. 주된 이유는 무엇인가?
  10. 레이저 플래시법으로 두께 L = 2.0 mm인 원판의 앞면에 펄스광을 쬐었더니, 뒷면의 온도 상승이 최댓값의 절반에 이르기까지의 시간이 t½ = 0.050 s였다. 열 손실을 무시한 파커 식 α = 0.1388L²/t½로 구한 열확산율에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  11. 고체가 가열에 의해 팽창하는(열팽창이 일어나는) 주된 원인은 무엇인가?
  12. 실온 부근의 선팽창 계수를 큰 순서대로 나열한 것으로 옳은 것은 무엇인가?
  13. Fe-36%Ni 합금(인바)의 선팽창 계수가 실온 부근에서 약 1×10⁻⁶ K⁻¹로 매우 작은 이유로 옳은 것은 무엇인가?
  14. 그뤼나이젠 관계에 따르면 고체의 부피 팽창 계수는 대략 정적 비열에 비례한다. 절대 영도에 가까운 저온에서 절연체의 선팽창 계수에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  15. 붉게 달군 석영 유리(용융 실리카)를 물에 넣어도 잘 깨지지 않지만, 소다석회 유리는 깨지기 쉽다. 석영 유리의 열충격 저항이 높은 주된 이유는 무엇인가?

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