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모든 물체는 열을 받으면 온도가 증가하고 이에 비례하여 체적이 늘어난다. 그리고 이와 반대로 외부로 열을 방출하게 되면 온도가 감소하고 그 결과 체적이 감소한다. 예를 들어 단일 재료로 만들어진 정육면체의 금속을 균일하게 온도를 증가시키면 정육면체는 모든 방향으로 일정한 량으로 늘어나게 되고 정육면체 모양을 그대로 유지한다.
하지만 정육면체가 단일의 금속으로 되어 있는 등방성 물체(isotropic material)가 아니고 복합재로 만들어진 이방성 물체(anisotropic material)라면 방향별로 늘어나는 량이 달라지고 이에 따라 더 이상 정육면체의 모양을 유지하지 않게 된다. 이러한 차이는 물질 고유의 열팽창계수가 전자의 경우에서는 모든 방향으로 일정하지만 후자의 경우에는 구성 재료에 따라 균일하지 않아서 방향별로 팽창되는 량이 달라진다.
열팽창계수는 물체의 온도가 1oC 증가하였을 때 특정한 방향으로 늘어난 길이로 정의된다. 등방성 물체에 있어서는 x, y 및 z 세 방향으로의 열팽창계수가 모두 동일하지만 이방성 물체에 있어서는 세 방향으로의 열팽창계수가 더 이상 동일하지 않다. 열팽창계수는 열전도도(thermal conductivity) 및 비열(specific heat)과 더불어 열전달 현상을 지배하는 주요한 재료 물성치(material property)이다. > 열팽창계수 더 자세히 보기🔎
물체는 열을 받으면 그 체적이 증가하는 반면 냉각이 되면 반대로 체적이 감소한다. 하지만 물체를 늘어나거나 줄어들지 않도록 구속하게 되면 물체 내부에는 이 구속에 저항하려는 내력이 발생하게 된다. 예를 들어 가느다란 원형 단면의 금속 봉을 아무런 구속없이 열을 가하면 자유로이 늘어난다.
하지만 이 금속 봉을 길이방향으로 늘어나지 못하도록 양 끝을 구속한 상태에서 열을 가한다고 생각해 보자. 그러면 금속 봉은 구속하고 있는 물체에 힘을 가하는 반면 구속하고 있는 물체는 금속 봉에 크기가 같고 방향이 반대인 반력을 가하게 된다. 그 결과 금속 봉은 외부로부터 힘을 받는 상태와 같게 되고 이로 인해 내부에 저항하려는 내력이 발생하게 된다.
그리고 금속 봉의 단위 면적당의 저항력을 열응력이라고 부른다. 열응력의 크기는 열을 받는 물체의 고유한 재료 물성치인 열팽창계수(thermal expansion coefficient)와 온도 증가에 비례한다. 물체가 아무런 구속없이 자유로이 팽창 혹은 수축하는 경우에는 열응력은 발생하지 않는다. 하지만 물체가 구속이 되어있지 않다고 하더라도 물체 전 영역에서 온도분포가 일정하지 않기 때문에 이러한 온도구배로 인하여 내부에 열응력이 발생하게 된다. 가장 대표적인 예로 용접 후 물체 내부에 남게되는 잔류 열응력(residual thermal stress)을 들 수 있다. > 열응력 더 자세히 보기🔎
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