열의 정의 (열, 열량, 열량 보존의 법칙, 열의 일당량)

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

 실생활에서 '열을 받는다', '열이 난다'와 같이 '열'이란 말을 자주 사용한다. 과학적으로 '열'이란 무엇인지, '열'과 '일' 사이에는 어떤 관계가 있는지 물어보면 선뜻 말하기 어렵다. 열이란 무엇인지 알아보자.

 

<열, 열량>

 열이란 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 에너지가 이동하는 에너지를 말한다. 열량은 이와 같은 방법으로 이동하는 열의 양을 말한다. 열량도 에너지의 양이기 때문에, 열량의 단위로 J을 사용한다. 실생활에서는 열량의 단위로 cal나 kcal를 사용하는데, 1kcal는 순수한 물 1kg의 온도를 1K 올리는 데에 필요한 열량이다.^[각주:1]

 

<열평형, 열량 보존의 법칙>

 열평형이란 온도가 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 열의 이동이 끝나면 물체의 온도가 같아지는 상태를 말한다. 열량 보존의 법칙은 온도가 다른 물체가 열평형에 도달할 때까지 고온의 물체가 잃은 열량과 저온의 물체가 얻은 열량이 같다는 법칙이다

 

 열의 정의로부터, 열은 에너지의 일종이기 때문에 일과 같은 단위를 사용한다는 것을 알았다. 열이 에너지의 일종이라는 것은 어떻게 알았을까? 이 사실은 영국의 과학자 줄(J. Joule)의 실험으로부터 알 수 있었다. 줄의 실험은 추가 중력으로 인해 떨어지는 과정에서 하는 일이 열량계 속의 날개를 회전하는 일로 전환시키고, 날개의 회전하는 정도에 따라 물의 온도가 올라가는 정도를 측정하는 실험이다. 이를 통해서, 추가 움직이면 움직일수록, 열량계 속의 온도가 올라간다는 사실을 알았다. 이로써, 줄은 일과 열 사이의 수량적 관계가 규명되었다.

 

<일과 열의 수량적 관계, 일의 일당량>

 일의 양 W(J)와 열량 Q(kcal) 사이에는 비례관계가 성립하고, 비례 상수 J를 통해서

 

 

와 같은 관계가 성립한다. 일의 양과 열량 사이에 비례관계가 성립한다는 사실은 줄의 실험을 통해 알 수 있다. 비례 상수 J는 열의 일당량이라고 하며, 그 값은

 

 

이다. 일과 열의 수량적 관계로부터, 열은 에너지의 한 형태이며, 에너지와 같이 보존된다는 것을 알 수 있다.

 

1. 에너지는 물체가 내부에 가지고 있는 일의 크기를 말하기 때문에, 에너지의 단위와 일의 단위는 같다. [본문으로]