비열(specific heat)을 열용량(heat capacity)과 혼동하는 경우를 많이 볼 수 있습니다. 정의 뿐만 아니라 공식과 기호에서조차 서로 유사한 부분이 많기 때문인 것 같은데요. 비열과 열용량의 차이를 이해하기 전에, 비열은 'Specific'이 붙었기 때문에 어떤 종량적 상태량을 질량으로 나눈 상태량인 것을 눈치챌 수 있겠습니다. 이와 관련해서는 기존의 '물질의 성질들 : 밀도, 비체적, 비중, 비중량' 포스팅의 더 알아보기 내용에 언급되어 있습니다. 필요하다면 아래 링크에서 확인할 수 있겠습니다.
물질의 성질들 : 밀도, 비체적, 비중, 비중량
유체역학이나 열역학, 또는 화학을 공부한다면 기본적으로 알고 있어야 할 물질의 여러 성질들이 있습니다. 대표적으로 밀도(density), 비체적(specific volume), 비중(specific gravity), 비중량(specific weig
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비열의 정의와 단위, 공식 알아보기
비열(specific heat)은 어떤 물질 1kg의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량으로 정의하며 C로 표기합니다. 수식으로 살펴보기 전에 비열의 정의를 살펴보면 비열이 큰 물질은 온도를 높이기 위해 더 많은 에너지를 투입해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 비열이 크다는 것은 온도 1℃ 올리는데 필요한 열량이 크다는 것을 뜻하니까요.
비열의 공식은 아래와 같이 표현됩니다. 비열의 정의에 포함된 '열량'과 '질량', '온도'로 수식이 구성된 것이지요. 질량 1kg, 온도 1℃는 단위 질량과 단위 온도를 의미하므로 열량을 나누는 분모에 자리잡게 됩니다.
비열의 단위는 공식에서 바로 뽑아낼 수 있습니다. 열량의 단위, 질량의 단위, 온도의 단위로 구성된답니다. 이때 열량과 질량, 온도의 단위에 따라 형태가 달라질 수 있는데요. 두 비열이 열량이나 질량, 온도의 단위가 다를 경우 환산을 해야 상호 비교를 할 수 있답니다. 단, 섭씨온도와 절대온도는 눈금의 간격(scale)이 동일하기 때문에 변환을 위한 별도 상수가 필요하지 않답니다.
조금 더 깊게 들어가서, 평균 비열을 구하는 것은 적분을 활용해야 합니다. 상태 1에서 상태 2로 변화할 때, 비열 곡선 아래의 면적과 동일한 면적의 직사각형을 이루는 평균비열을 C_m(m이 밑첨자로 들어갑니다.)이라고 하면 아래와 같이 수식을 표현할 수 있답니다.
비열의 특징을 정리해보자
∇ 비열(specific heat)은 물질마다 다른 특성으로, 고유의 값입니다. 달리 말하면 같은 물질이면 비열이 같습니다.
∇ 동일한 열량이 동일한 양의 두 물질에 주어진다면, 비열이 큰 물질의 온도가 더 천천히 올라갑니다. (온도 변화가 작습니다.)
∇ 대표적인 '물'의 비열은 다음과 같습니다.
비열과 관련된 실생활 현상은 어떤 것이 있을까?
∇ 해안지역에서 낮에는 해풍(바다→육지), 밤에는 육풍(육지→바다)이 붑니다. 바다는 비열이 큰 물로 구성되어 있기 때문에 육지에 비해서 비열이 커 온도 변화가 작습니다. 때문에 낮에는 바다보다 육지의 온도가 더 많이 높아지고, 이에 육지의 대기가 뜨거워져 상승하게 됩니다. 그러면 육지의 대기는 바다의 대기에 비해 상대적으로 저기압이 되어 압력이 높은 바다에서 육지 방향으로 바람(해풍)이 불게 되는 것이지요. 반면에 밤이 되면 비열이 상대적으로 작은 육지의 온도가 더 많이 떨어지기 때문에 육풍이 발생하게 된답니다.
∇ 자동차 엔진과 같은 각종 기계에 수냉식 냉각방법을 적용하는 경우가 있는데요. 굳이 공냉식을 적용하지 않는 이유는 발열량이 크기 때문에 상대적으로 비열이 큰 물을 활용하기 위해서입니다. 비열이 크기 때문에 온도 변화가 작기 때문이지요. 만약 비열이 작은 물질을 사용한다면 기계 장치 구동 시 장치 온도가 많이 올라가는 문제가 발생할 수 있겠지요.
∇ 더 오래 따뜻한 비빔밥 또는 찌개를 먹기 위해 우리는 뚝배기를 이용합니다. 뚝배기는 비열이 크기 때문에 오랫동안 높은 온도를 유지할 수 있답니다.
열용량의 정의와 단위, 공식 알아보기
열용량(heat capacity)은 어떤 물질의 온도를 1℃ 또는 1K 높이는데 필요한 열량으로 정의합니다. 열용량 역시 비열과 마찬가지로 C로 표기하는데요. 비열과 다른 점은 단위 질량에 대한 언급이 없는 점을 확인할 수 있습니다. 즉, 비열과는 다르게 열용량은 같은 물질이라고 하더라도 질량에 따라서 달라지는 값입니다.
때문에 열용량의 공식은 아래와 같이 비열의 정의에서 질량이 빠지며, 단위 역시 마찬가지가 됩니다. 비열과 열용량을 구분하기 위해서 C를 열용량, c를 비열, m을 질량이라고 한다면, 비열과 열용량은 C=cm의 관계를 가지게 됩니다.
열용량과 비열을 구분할 수 있는 예시는?
열용량과 비열은 열량과 관련 있으니 굽는 음식, 삼겹살을 예로 들어볼까요? 삼겹살이라는 물질이 있다면, 길고 두꺼워 질량이 꽤 나가는 삼겹살과 얇게 썰린 가벼운 삼겹살은 둘다 같은 삼겹살 고기이기 때문에 비열은 같을 겁니다. 그러나 고기를 굽기 위해서 동일한 열량을 가한다면, 얇은 삼겹살은 금방 익겠지만 두툼한 삼겹살은 보다 시간이 걸립니다. 이 차이는 질량으로부터 비롯된 것으로, 비열은 같았지만 열용량이 달랐기 때문에 확인할 수 있는 현상인 것이랍니다.
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