과학기술4 - 열, 엔탈피, 열용량, 비열

#열

열 = 물체 사이의 온도 차이에 의해 이동하는 에너지

※ 물질이 열을 갖고 있는 것이 아님. 물질은 열이 아니라 분자의 운동에너지나 퍼텐셜에너지를 갖고 있음

∵ 열은 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동하는 에너지

(일이 에너지의 이동을 뜻하는 것과 동일. 물체가 일을 갖고 있는 것이 아니라 일을 하거나 받는 것처럼)

☆ 내부에너지: 물질 내 모든 에너지의 총합

- 분자의 회전 운동에너지, 분자 내 원자의 내적 운동에너지, 분자 사이의 힘에 의한 퍼텐셜에너지 등

→ 물질이 열을 얻거나 잃으면 물질의 내부에너지가 늘거나 줄어듦.

“모든 물질 내에는 거대한 양의 에너지가 들어있다. 이 책을 보기로 들면, 종이를 구성하는 분자들은 일정한 운동상태에 있으므로 운동에너지를 가진다. 주변 분자들과의 상호작용에 의한 퍼텐셜에너지도 있다. 또한 종이를 쉽게 태울 수 있으므로 화학에너지도 있다. 여기서 화학에너지란 전기적 퍼텐셜에너지를 뜻한다. 한편 종이의 원자핵에도 엄청난 양의 에너지가 들어있다. 즉, 존재 자체가 에너지인 E = mc² 으로 기술되는 질량에너지가 있다. 이와 같은 여러 형태의 에너지를 합한 물질 내의 모든 에너지를 통 털어서 내부에너지라고 부른다. 가장 간단한 물질이라도 내부에너지의 형태는 매우 복잡하다. 그러나 열의 변화나 열의 흐름을 다루는 열역학에서는 내부에너지의 변화만을 조사하면 된다. 이러한 내부에너지의 변화가 바로 온도의 변화로 나타난다.”(폴 휴이트(2003), 엄정인, 김인묵, 박홍이, 정광호 역, 『수학없는 물리』, 홍릉과학출판사, p.298)

☆ 열의 측정: ‘줄’ / ‘칼로리’

- 1cal: 1g의 물 온도를 1℃ 높이는 데 필요한 열의 양 = 4.184J

◈ 열역학 제1법칙

- 기체에 열을 가했을 때 기체가 흡수한 열(Q)은 내부 에너지 변화량(∆U)과 기체가 외부에 한 일(W)의 합과 같음

- Q = ∆U + W

∴ ∆U = Q – W : 내부 에너지 변화량은 기체가 흡수한 열과 외부에서 기체에 한 일의 합과 같음

§ 만약 열의 출입이 없다면 Q=0 이므로 내부 에너지 변화량(∆U)과 외부에서 기체에 한 일의 합은 같음

∴ 열과 일은 서로 전환됨

* 물리I ‘열과 일’ 단원 참조

◇ 참고 웹사이트

 

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3536954&cid=60217&categoryId=60217

- 내부에너지

http://ebsi.co.kr/ebs/lms/player/retrieveLmsPlayerHtml5.ebs?sbjtId=S20190000858&lessonId=LS000000242980&lecGbn=V1M4&previewYn=Y&useIndexList=Y&playerSelect=html5&pageType=new

- 열역학 법칙 EBS 강의

#엔탈피

* 엔탈피(H): 어떤 물질이 특정 온도와 압력에서 가지는 에너지

예) 어떤 물질의 엔탈피는 원자핵 속에 존재하는 핵자들의 핵에너지, 전자가 가지는 에너지, 원자 사이의 공유 결합 에너지, 물 분자의 운동 에너지(병진, 진동, 회전) 등의 모든 에너지를 합한 값

∴ 정확하게 측정하는 것은 사실상 불가능

→ 엔탈피의 변화를 측정하는 이유

△ 표준 엔탈피(H°): 25℃, 1기압에서의 엔탈피값

* 반응엔탈피(∆H): 일정한 압력에서 화학 반응이 일어날 때의 엔탈피 변화

→ 생성물의 엔탈피 합 – 반응물의 엔탈피 합

1) 발열 반응: 엔탈피 차이에 해당하는 열 방출

∵ 반응물의 엔탈피가 생성물의 엔탈피보다 크기 때문

2) 흡열 반응: 엔탈피 차이에 해당하는 열 흡수

∵ 반응물의 엔탈피가 생성물의 엔탈피보다 작기 때문

△ 열화학 반응식: 화학 반응식에 반응엔탈피를 함꼐 나타낸 것

* 화학II ‘반응엔탈피’ 단원 참조

 

◇ 참고 웹사이트

http://www.ebsi.co.kr/ebs/lms/player/retrieveLmsPlayerHtml5Simple.ebs?medUrl=http://WSTR.ebsi.co.kr/M41M1901/S20190000863/S20190000863_1M4_000000244485.mp4&startTime=829&endTime=1148&pType=2&useVTTime=true

- 엔탈피 EBS 강의

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3569076&cid=58949&categoryId=58983

- 엔탈피

#비열 #열용량

※ 비열: 물질의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 단위질량당 열량

→ 1g의 물을 1℃ 높이는 데에 필요한 열은 1cal

1g의 쇠를 1℃ 높이는 데에 필요한 열은 1/8cal

∵ 물이 쇠에 비해 보다 많은 열을 흡수하기 때문 = 물의 비열이 높기 때문

∫ 몇 개 예외는 있으나 대체적으로 모든 물질 중 물의 비열이 가장 높은 편 = 좋은 냉각제의 역할

☆ 이러한 물의 특성 때문에 지구상의 기후가 장소에 따라 다름.

→ 유럽과 태나다 지역의 위도가 같아 같은 양의 햇빛을 받음에도 물구하고, 유럽의 날씨가 캐나다에 비해 따뜻 섬이나 반도처럼 바닷물로 둘러싸인 지역이 내륙지방보다 기온의 변하가 심하지 않음

낮에는 해풍(바다 → 육지)이, 밤에는 육풍(육지 → 바다)이 부는 이유

◇ 비열은 물질의 종류에 따라 그 값이 다름 = 물질의 고유 특성

◇ 액체의 비열이 고체의 비열보다 크고, 비열이 클수록 온도 변화가 작음

 

※ 열량 = 비열 X 질량 X 온도변화

 ∴ 비열 = 열량 / 질량 x 온도변화

 

※ 열용량: 어떤 물체의 온도를 1℃ 높이는 데 필요한 열량

  ∴ 열용량 = 비열 x 질량 = 공급한 열량 / 온도 변화

→ 비열 및 질량이 클수록 열용량이 크고, 열용량이 클수록 온도 변화가 작음

◇ 참고 웹사이트

http://study.zum.com/book/15253

- 비열과 열용량

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1106212&cid=40942&categoryId=32233

- 비열

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1393603&cid=47338&categoryId=47338

- 온도와 열, 비열, 열용량이란?

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=4389738&cid=60217&categoryId=60217

- 열용량