통합과학 중1 열

열과 에너지(중)

열량과 비열, 열평형 개념을 정량적으로 이해하고 열의 이동 방식을 분석한다.

열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 에너지이고, 같은 열을 받아도 물질마다 온도가 오르는 정도가 다른데 이 차이를 나타낸 값이 비열이며, 두 물체가 결국 같은 온도가 되는 것을 열평형이라고 합니다.

온도는 '얼마나 뜨거운가'이고 열은 '얼마나 많은 에너지가 옮겨 갔는가'입니다. 성냥불의 온도는 목욕물보다 훨씬 높지만, 목욕물이 가진 열에너지가 비교할 수 없이 많습니다.

쉽게 말하면

열과 우리 생활에서 열이 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 옮겨 간다는 것을, 열팽창에서 열을 받으면 입자 운동이 활발해진다는 것을 보았습니다. 여기서는 그 양을 재 봅니다.

같은 열을 주어도 물질마다 온도가 오르는 정도가 다릅니다. 냄비 속 물은 좀처럼 안 데워지는데 손잡이는 금세 뜨거워집니다. 어떤 물질 1 kg의 온도를 1 ℃ 올리는 데 필요한 열량을 비열이라고 하고, 비열이 큰 물질일수록 데우기도 식히기도 어렵습니다. 물은 비열이 매우 큰 물질입니다.

주고받은 열량은 다음과 같이 구합니다.

$Q = c m Δ t$

여기서 $c$ 는 비열, $m$ 은 질량, $Δ t$ 는 온도 변화입니다. 뜨거운 물체와 차가운 물체를 맞대 두면, 열이 이동하다가 두 물체의 온도가 같아지는 순간 순 이동이 멈춥니다. 이것이 열평형입니다. 밖으로 새는 열이 없다면 뜨거운 물체가 잃은 열량과 차가운 물체가 얻은 열량은 정확히 같습니다. 열은 없어지지 않고 옮겨 갈 뿐이기 때문입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

바닷가의 해풍과 육풍

모래는 비열이 작아 낮에 금방 뜨거워지고, 바닷물은 비열이 커서 천천히 데워집니다. 그래서 낮에는 육지 위 공기가 더 데워져 위로 올라가고, 그 빈자리를 메우러 바다에서 육지로 바람이 붑니다(해풍). 밤에는 육지가 더 빨리 식어 반대 방향으로 붑니다(육풍).
예시 2

자동차 냉각수로 물을 쓰는 이유

엔진에서 나오는 많은 열을 흡수하면서도 자기 온도는 크게 오르지 않아야 냉각수 구실을 할 수 있습니다. 비열이 큰 물이 딱 그런 성질을 가졌습니다. 같은 이유로 비열이 큰 바다는 여름과 겨울의 온도 차가 육지보다 훨씬 작습니다.
예시 3

뚝배기와 얇은 냄비

얇은 냄비는 빨리 끓지만 불을 끄면 금방 식습니다. 뚝배기는 데우는 데 오래 걸리지만 상에 올린 뒤에도 한참 끓습니다. 어느 쪽이 '좋은' 것이 아니라, 요리에 따라 필요한 성질이 다를 뿐입니다.

순서대로 하면

열평형 문제 푸는 순서

1누가 열을 잃고 누가 얻는지 정합니다. 온도가 높은 쪽이 잃고, 낮은 쪽이 얻습니다.
2나중 온도를 $t$ 라고 놓습니다. 두 물체의 나중 온도는 같습니다 — 이것이 열평형입니다.
3각 물체의 온도 변화 $Δ t$ 를 (높은 온도 − 낮은 온도)로 항상 양수가 되게 씁니다.
4'잃은 열량 = 얻은 열량'으로 식을 세웁니다: $c_{1} m_{1} (t_{1} - t) = c_{2} m_{2} (t - t_{2})$ .
5나중 온도는 반드시 두 처음 온도 사이에 있습니다. 답이 그 범위 밖이면 계산이 틀린 것입니다.

열이 이동하는 세 가지 방식

구분	전도	대류	복사
어떻게	이웃한 입자끼리 진동을 전달	데워진 물질이 직접 이동	매개 물질 없이 전자기파로 곧장
필요한 것	물질 (주로 고체)	물질 (액체·기체)	아무것도 필요 없음
예	국에 담근 금속 숟가락이 뜨거워짐	난방기는 아래, 에어컨은 위에 다는 이유	모닥불 앞이 따뜻함, 햇빛이 지구에 닿음