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열의 이동 - 전도, 대류, 복사
열은 어떻게 이동할까?

 

 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 에너지로, 열이 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동할 때에는 전도, 대류, 복사와 같은 방식으로 이동한다. 이러한 열이 이동하는 방식에 대해서 알아보자.

 

<전도> - 전도의 정의, 전도를 통한 열량 이동량 구하기, 양도체/부도체

 전도란 물질 내에서 분자가의 운동 에너지가 전달됨에 따라서, 열이 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동하는 현상을 말한다. 분자 사이의 거리가 매우 짧기 때문에, 분자가 이동하는 과정에서 이웃한 분자와 충동함으로써 운동 에너지를 전달한다.

 

 전도에 의해 이동하는 열랑은 다음과 같이 구할 수 있다. 단면적 $A$, 길이 $l$인 금속 막대의 양 끝의 온도가 각각 $T_1$, $T_2$($T_1$>$T_2$)라면, 시간 $t$동안 이동한 열량 Q의 크기는

 

 

와 같다. 위 식에서 $k$는 열전도율을 나타내는 상수이며, 물질의 의 종류에 따라서 정해진다. 열전도율의 상수의 단위는 위 식으로 부터, J/m·s·K임을 알 수 있다. 양도체는 $k$의 값이 큰 물질, 즉 열전도율이 큰 물질을, 부도체는 $k$의 값이 작은 물질, 즉 열전도율이 작은 물질을 말한다.^[각주:1]

 

 한편, 위 식으로 부터, 전도되는 과정에서 이동하는 열량은 열전도율이 큰 물질일수록, 금속 막대의 단면적이 크고, 길이가 짧을수록, 시간이 오래지날수록, 온도 차이가 클수록 커진다는 것 을 알 수 있다.

 

 전도를 통해 이동하는 열량을 구하는 과정에서 금속 막대를 이용하여 사례를 든 것은 일반적으로 고체를 매개로 해서 일어나기 때문이다. 유체(액체, 기체)와 같은 경우는 이와 달리 대류를 통해서 일어난다.

 

<대류> - 대류의 정의와 사례

 대류란 구성하는 분자들이 밀도 차이에 의해 순환하는 과정에서 열이 이동하는 현상을 말하며, 주로 유체(액체, 기체)에서 일어난다. 대표적인 예로 지구 시스템에서 해류의 대순환(액체)과 대기의 대순환(기체)를 들 수 있다.

 

<복사> - 복사의 정의, 흑체, 슈테판-볼츠만의 법칙

 복사란 열이 중간 매질 없이 공간을 직접 이동하는 현상을 말하며, 복사 에너지란 복사를 통해 전달되는 열 에너지를 말한다.

 

 복사가 되는 정도는 물체의 표면의 성질과 온도에 따라서 달라져서, 복잡한 양상이 나타난다. 항상 복사 에너지를 완전히 흡수하는 물질을 가정하면, 열현상을 보다 쉽게 연구할 수 있다. 이런 이유로 가정한 물체가 흑체이다.

 

 흑체란 복사에너지를 완전히 흡수하는 물체이고, 흑체복사란 흑체에서 나타내는 복사를 말한다. 슈테판-볼츠만 법칙은 흑체복사에서 표면의 단면적에서 단위 시간 동안 방출하는 복사 에너지 E와 절대 온도 사이에

 

 

와 같은 간단한 관계가 있음을 나타내는 법칙이다. 여기서 σ는 슈테판-볼츠만 상수이다.

 

 이로써, 열이 온도가 높은 데에서 낮은 데로 이동하는 과정에서 전도, 대류, 복사의 과정을 통해서 이동한다는 사실과 그와 관련된 여러 가지 원리를 알아보았다.

 

비열의 정의, 열용량의 정의

비열과 열용량이란 무엇일까?

 온도가 차이나는 두 물체 사이에는 열이 이동하고, 그 열의 양을 열량이라고 한다. 그렇다면 열량은 어떻게 구할 수 있을까? 이 물음을 해결하기 위해서는 열량을 결정하는 요인이 무엇인지 생각해 보아야 한다. 열량은 어떤 물질인지, 그리고 그 물질이 얼마나 많이 있는지, 어느 정도 온도가 변하는지에 따라서 결정된다. 이러한 개념을 나타내는 비열과 열용량에 대해 알아보자.

<비열>

 어떤 물질의 비열이란 그 물질 1kg의 온도를 1K 올리는 데 필요한 열량을 말한다. 비열의 단위는 열량을 일정한 질량과 온도에 대해서 구한 것이므로  J/kg·K나 kcal/kg·K를 사용한다. 또, '어떤 물질의 비열'이라고 한 것은 물질마다 비열의 크기가 다르기 때문이다. 비열은 물질마다 다르기 때문에 물질의 특성이 될 수 있다. 다만, 같은 물질이라도 상태에 따라 비열의 크기는 다르다. 예컨대, 물의 비열은 1.000J/kg·K인 반면, 얼음은 0.490J/kg·K이다. 또, 비열은 일반적으로 금속의 비열이 액체의 비열에 비해서 크다.

 비열이 크다는 것은 같은 물질의 온도를 1K 올리는 데 많은 열량이 필요하다는 것을 말한다. 이는 다시 말해서, 비열이 상대적으로 큰 물질은 상대적으로 온도를 올리기 어렵다는 것이다. 물은 다른 물질에 비해서 상대적으로 큰 비열의 값을 가지는데, 이는 물의 온도를 올리기 어려우며, 물의 온도는 잘 변하지 않는다는 의미를 가진다.

 이와 같이, 비열은 같은 양의 물질이 있을 때, 물질에 따라서 온도 변화가 일어나는 데에 필요한 열량을 나타내는 물리량이다.

<열용량>

 열용량이란 물체의 온도를 1K 올리는 데 필요한 열량을 나타낸다. 열용량은 어떤 물체가 Q(kcal)의 열량을 받아서, 온도가 Δt(K)만큼 상승하였을 때,

와 같다. 이로부터, 열용량의 단위는 1J/K 또는 1kcal/K를 사용한다는 것을 알 수 있다. 

 열용량은 물질의 종류에 따라서도 달라지지만, 물질의 양에 따라서도 달라진다. 같은 물질이라도 1kg의 물질의 온도를 1K올리는 데 드는 열량보다 2kg의 물질의 온도를 1K 올리는 데 드는 열량이 많이 든다. 즉, 같은 물질인 경우 질량이 커질수록 열용량은 커진다.

 이와 같이, 비열이 같은 물질인 경우, 열용량은 물질의 양에 따라서 온도 변화가 일어나는 데에 필요한 열량을 나타내는 물리량이다.

<비열과 열용량의 관계>

 열용량 C는 어떤 물질이 온도 변화가 일어나는 데에 필요한 열량을 그 물질의 비열 c과 그 물질의 질량 m으로 나타낸 것이므로, 열용량과 비열 사에이는 C=mc라는 관계를 가진다. 이를 다시, 열용량과 열량 사이의 관계식에 대입하면,

와 같다. 이 식으로부터, 질량이 m이고, 비열이 c인 어떤 물질을 온도를  Δt만큼 변화시키는 데에 필요한 열량을 나타낼 수 있다.

 위 식으로 부터 어떤 물질이 온도가 변화할 때 필요한 열량은, 질량이 클수록, 온도가 변화하는 정도가 클수록, 그 물질의 비열이 클수록 커진다는 것을 알 수 있다. 아울러, 열용량은 비열뿐만 아니라 질량의 영향을 받으므로, 서로 다른 물질인 경우에는 질량이 같더라도 열용량이 달라질 수 있다는 것을 알 수 있다.

<열량 보존의 법칙의 적용> - 물질의 비열 구하기

 비열을 모르는 어떤 물질의 비열을 어떻게 구할 수 있을까? 이는 열량 보존 법칙을 이용하여, 측정할 수 있다. 비열의 크기를 알고 있는 물질 A(질량 m_1, 비열 c_1, 온도 t_1)와 비열의 크기를 모르는 물질 B(질량 m_2, 비열c_2, 온도 t_2)을 섞어서(t_1>t_2), 온도 t에서 열평형을 이루었다고 하자. 그렇다면 열량 보존의 법칙에 의해서,

와 같은 관계가 성립한다는 것을 알 수 있다. 이로 부터, 비열의 크기를 모르는 물질 B의 비열 c_2를 구할 수 있다.

 이로써, 비열이란 무엇이며, 열용량이 무엇인지, 그리고 그 두 개념 사이의 관계, 그 관계를 넘어서 열량과 어떤 관계가 있는지 알아보았다. 그리고 이들 사이의 관계식이 의미하는 바도 살펴보았다. 나아가, 열량 보존의 법칙을 이용해서, 미지의 비열을 구하는 방법을 알아보았다.

열의 정의 (열, 열량, 열량 보존의 법칙, 열의 일당량)
열이란 무엇인가?

온도의 정의

온도란 무엇일까?

 우리는 일상 생활에서 온도에 관한 언급을 많이한다. 열에 관한 현상과 기체 분자가 어떻게 운동하는지 이해하기 위해서는 온도에 대한 구체적으로 이해할 필요가 있다. 온도의 개념에 대해 알아보자.

 온도는 일상적으로 어떤 물체가 차갑고 뜨거운 정도를 수치적으로 나타낸 것을 말하며, 과학적으로는 물체를 구성하는 분자의 평균 운동 에너지를 나타낸 것을 말한다. 실생활에서 '뜨겁고 차가운 정도'에 따라서 물체를 구성하는 분자가 운동하는 정도가 결정되기 때문에, 과학적으로는 온도를 분자의 평균 운동 에너지로 나타낼 수 있다.

 온도를 나타내는 척도는 여러가지 있지만, 그 중 실생활에서 가장 널리 이용되는 것이 섭씨온도이다. 섭씨온도란 1기압에서 순수한 물의 어는점을 0, 끓는점을 100으로 하고, 그 사이를 100등분하여 한 눈금을 1°C로 정한 온도를 말한다. 섭씨온도의 단위는 °C를 사용한다.

 앞서, 과학적으로 온도는 물체를 구성하는 분자의 평균 운동 에너지로 나타내는 것이라고 하였다. 이로 부터, 평균 운동 에너지가 한없이 커질 수 있지만, 물체가 더 이상 운동하지 않는 온도보다 온도가 작아지는 것은 모순이 아닌가하는 의문을 제기할 수 있다. 실제로, 물체는 더 이상 운동하지 않는 온도보다 온도가 내려가지 않는다. 기체 분자의 운동 등을 연구하는 과학에서는 물의 어는점을 0으로 하기 보다는, 더 이상 물체가 운동하지 않는 온도를 0으로 하는 것이 바람직하다. 과학에서는 이런 이유로 실생활에서 가장 널리 이용되는 섭씨온도의 기준점만 다른 절대 온도를 활용한다.

 절대온도(켈빈온도, Kelvin temperature)란 이론적으로 분자의 운동 에너지가 0이 되는 온도를 절대 0도라고 하고, 섭씨온도와 같은 눈금 가격을 가지는 온도를 말한다. 절대온도의 단우는 K(켈빈)을 사용한다.

 절대온도는 섭씨온도를 단순히 기준점을 바꾼 것이기 때문에, 섭씨온도와 절대온도 사이에는

와 같은 관계가 성립한다.