비열의 정의, 열용량의 정의

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.