20. 열, 비열, 열팽창

1. 온도와 입자의 운동

2학년 2학기 과정에서의 물리 파트이다. 많이 어려운 내용은 없으나 개념을 확실하게 정리하는 것이 중요하다 하겠다. 어떤 물체를 만지면 우리는 뜨거움 혹은 차가움을 느낀다. 그러한 정도는 추상적이기 때문에, 과학자들은 정량적인 수치가 필요했는데, 이러한 물체의 차갑고 뜨거운 정도를 '온도'라고 한다. 온도가 높다는 것은 입자의 운동이 활발하다는 것을 의미한다. 반대로 온도가 낮다면 입자의 운동이 둔하다는 것을 의미한다. 

온도

2. 열의 이동 방법

우리는 열을 직접 볼수 없으나 온도 변화를 이용하여 열의 이동을 볼 수 있다. 열이 이동하는 방법은 크게 세 가지로 나뉜다. 그보다 이전에, 과학 전체를 관통하는 한 가지 사실에 대해서 다시 이야기해보고자 한다. 과학에서(혹은 자연에서) 모든 것은 그 양이 많은 곳에서 적은 곳으로 흐른다. 열도 마찬가지다. 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 이동한다.

열이 이동하는 방법은 '전도', '대류', 그리고 '복사'의 세 가지로 이루어진다. 각각에 대해 간단히 살펴보도록 하자. 

은수저

금속으로 된 수저를 뜨거운 커피나 국물에 오랜 시간 담구게 되면 어떻게 될까. 아마 만지기만 해도 뜨거운 수저가 될 것이다. 우리는 이를 경험적으로 알고 있다. 수저의 앞 부분만 뜨거운 곳에 담궜을 뿐인데, 어째서 시간이 지나면 수저의 끝 부분도 뜨거워질까. 바로 열이 이웃된 입자를 통해 '전달'되었기 때문이다. 이렇듯 이웃한 입자에 차례로 열이 전달되는 방식을 '전도' 라고 한다.

목욕

한편 목욕물을 받는다고 생각해 보자. 이때, 물의 아래층과 윗층 중 어느 부분이 더 따뜻할까. 위의 예시와 마찬가지로 우리는 윗물이 더 따뜻함을 알고 있다. 액체와 기체에서, 열을 가진 따뜻한 물질은 위로 상승하고, 열이 부족한 차가운 물질은 아래로 하강하려고 하는 성질이 있다. 이렇듯 입자가 직접 이동하며 열이 전달되는 방식을 '대류'라고 한다.

난로

마지막으로는 난로이다. 난로에 손을 가져다 대면 손이 따뜻해진다. 어떤 물질의 도움도 없이 열이 직접 이동한다. 이렇듯 열이 물질의 도움 없이 직접 이동하는 방식을 '복사' 라고 한다.

보온병

이렇게 '전도' '대류' '복사'의 세 가지 전달 방식을 알아보았다. 이러한 방식들을 차단하면 안과 밖 사이의 열의 이동을 차단할 수 있는데, 이를 '단열'이라고 한다.  단열 기술의 활용의 정점이 바로 보온병이다. 보온병에는 이중 마개의 플라스틱과, 진공 공간으로 된 이중벽, 그리고 내부에 은도금이 있다. 플라스틱으로 된 이중 마개는 전도에 의한 열의 이동을 차단하며, 이중벽 사이의 진공 공간은 전도와 대류에 의한 열의 이동을 차단한다. 마지막으로 내부의 은도금은 복사에 의한 열을 차단하는 기능을 하는 것이다.

전도	대류	복사
고체에서 입자의 운동이 이웃한 입자에 차례로 전달	액체와 기체에서 입자가 직접 이동	물질의 도움이 없이 열이 직접 이동
단열	물체와 물체 사이에 열이 이동하지 못하게 하는 것 ex.보온병
이중 마개 플라스틱(전도 차단)	진공으로 된 이중벽 (전도와 대류 차단)	내부 은도금 (복사 차단)

3. 열평형

겨울철에 손이 차가워졌을 때 겨드랑이 같은 곳에 손을 넣으면 따뜻해진다. 반면 손을 넣은 해당 부위는 차가워지는 현상을 우리는 경험해 본 적이 있다. 이는 위에서 설명했듯, 열이 높은곳에서 낮은곳으로 이동했기 때문이다. 즉, 두 물체가 접촉했을 때, 온도가 높은 물체로부터 낮은 물체로 열이 이동하게 된다. 그러다 멈추게 되는 지점이 생기는데, 그 곳은 바로 서로의 온도가 '같아지는' 점이다. 우리는 이러한 상황을 '열평형'이라고 부른다.

열평형 - 출처: 위키피디아

열평형에는 다음의 특징이 있다.

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① 열평형 상태에서는 두 물체의 온도는 불변한다.
② 열을 얻은 입자는 운동이 활발해지며, 열을 잃은 입자는 운동이 둔해진다.
③ 이동한 열의 양은 두 물체 사이의 온도 차이에 비례한다.

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이러한 열평형 상태를 이용한 예시로는 수은 온도계를 이용한 체온 측정, 음식물의 냉장 보관 등이 있겠다.

4. 비열

위에서 우리는 열에 대해서 다뤘다. 온도가 다른 물체 사이에는 '열'이 이동하는데, 그 양을 '열량'이라고 한다. 단위는 cal(칼로리), kcal(키로칼로리)를 사용하며, 1kcal의 정확한 정의는 물 1 kg의 온도를 1 ℃ 높이는데 필요한 열량을 의미한다.

하지만 우리는 물 뿐만 아니라 다양한 물질을 가열해야 할 때가 있다. 따라서, 물이 아닌 다른 물질 1 kg의 온도를 1 ℃ 높이는데 필요한 열량 역시 정의해줄 필요가 있다. 어떤 물질 1 kg의 온도를 높이는 데 필요한 열량을 우리는 '비열'이라고 한다. 즉, 비열은 물질마다 다르고 따라서 물질의 '특성'이라고 할 수 있다. 한편 비열이 크다는 것은 온도를 높이기 위해 더 많은 열량이 필요하다는 것이므로, 온도 변화가 잘 일어나지 않음을 의미한다.

열량과 비열, 질량, 그리고 온도 변화 사이에는 다음의 관계가 성립한다.

Q = cmdT

즉 어떤 물체 1 kg을 1 ℃ 높이는데 필요한 열량인 비열과, 그 물질의 질량, 그리고 그 물질이 변화한 온도의 곱은 열량이라는 의미이다. 역으로 생각해보면 당연한 이치라고 볼 수 있다.

5. 열팽창

마지막으로 다룰 내용은 열팽창이다. 금속과 같은 고체는 열을 받으면 늘어나는 모습을 관찰할 수 있다. 이는 입자 사이의 운동이 활발해지며 입자 사이가 유연해지기 때문이다. 다시 말해, 온도 변화가 클수록 열팽창의 정도는 크다. 한편 열팽창의 정도는 입자의 본래 상태에도 영향을 받는다. 즉 원래 입자 사이의 거리가 멀었을 수록, 열을 받았을 때 열팽창의 정도도 크다는 것이다. 따라서 고체보다는 액체, 액체보다는 기체의 열팽창 정도가 더 크다.

열팽창
정의	물체가 열에 의해 길이 혹은 부피가 증가하는 현상
원인	열에 의해 입자의 운동이 활발해져 입자 사이의 거리가 멀어짐
열팽창 정도	고체 < 액체 < 기체

 

Edited. 21.10.08