중2과학 8단원 열과 우리생활 - 비열 -

혹시 물과 식용유를 끓이는 것을 본 적 있나요? 만약, 같은 양의 물과 식용유를 같은 세기의 불꽃으로 같은 시간 동안 가열한다면 어느 쪽이 빨리 온도가 변할까요? 식용유의 온도가 빨리 변합니다. 이는 물질마다 갖고 있는 특성인 비열 때문인데요, 비열이란 어떤 물질 1kg을 1℃ 올리는 데 필요한 열량을 말합니다. 비열이 크면 온도를 높이는데, 많은 열량이 필요하겠죠? 물보다 식용유가 더 빨리 온도 변화가 생기는 이유는 두 물질의 비열이 다르기 때문이죠. 오늘은 비열에 대해서 알아보겠습니다. 

 

1. 열량이란

열량은 열의 양을 줄임말로 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열이 이동하고, 이 때 이동하는 열의 양을 열량이라고 합니다. 단위는 kcal, cal를 사용하고요, 1kcal = 1000 cal = 4200J(1cal = 4.2J)입니다. 

고온의 물체는 열량을 잃고, 저온의 물체는 열량을 얻죠. - 비상교육 참조

 

이 그림처럼 열이 이동하면 고온의 물체는 온도가 내려가고, 저온의 물체는 온도가 올라가서 결국에 같아지는 열평형상태가 되죠. 그때 고온의 물체가 잃은 열량과 저온의 물체가 얻은 열량은 같습니다.(단, 외부와 열의 이동은 없다면) 열량은 어떻게 구할까요? 열량을 구하려면 물체의 비열, 물체의 질량, 온도변화가 있으면 구할 수 있는데요, 열량을 구하는 식은 다음과 같아요

 

이고, 열량은 Q, 비열은 c, 질량은 m, 온도변화는 t로 하여 Q = cmt 라고도 합니다. 

2. 비열이란

비열이란 어떤 물질 1kg을 1℃ 높이는데 필요한 열량입니다. 단위는 kcal/(kg ·℃), cal/(g ∙ ℃)입니다. 예를 들면 물 1kg을 1℃ 올리는데 필요한 열량은 1kcal이죠. 식용유는 0.4kcal로 물질마다 비열은 다르기 때문에 물질의 특성입니다.

비열 구하는 식은 열량 구하는 식을 이용하면 되는데 다음과 같아요.

 

3. 비열의 특징

• 비열은 물질마다 다르기 때문에 물질을 구별하는 특성이 됩니다. 즉, 같은 물질이면 비열이 같아요.
• 일반적으로 액체의 비열이 고체의 비열보다 큽니다. 따라서 같은 질량의 액체와 고체에 같은 열량을 가하면 액체가 고체보다 천천이 온도가 올라가고, 천천히 온도가 내려가죠.
• 비열이 클수록 온도를 높이는 데 많은 열량이 필요하므로, 온도가 쉽게 변하지 않습니다. 따라서 비열이 크면 온도변화 작다는 것이고, 온도가 천천히 올라가고 천천히 내려간다고 보면 됩니다. 

4. 열량, 비열, 질량, 온도 변화의 관계

비열과 관련된 문제를 보게 되면 비열의 비를 구해라? 온도변화의 비가 어떻게 되는가? 등 계산 문제를 많이 볼 수 있는데요, 열량의 식을 이용하여 열량과 비열, 열량과 질량등의 관해 알아보겠습니다.

1) 열량과 질량

온도변화가 같다면, 질량이 클수록 물체에 가한 열량이 크죠. 따라서 열량과 질량은 비례

 

2) 열량과 온도 변화

질량이 같을 때, 물체에 가한 열량이 클수록 물체의 온도 변화가 큽니다. 따라서 열량과 온도 변화는 비례

 

3) 비열과 온도 변화

질량이 같은 두 물질에 같은 열량을 가하면 비열이 큰 물질일수록 온도 변화가 작아요. 따라서 비열과 온도 변화는 반비례

식용유의 온도 변화가 크다는 것 식용유의 비열이 작다는 것 - 비상교육 참조

 

같은 시간동안 같은 열량을 줬을 때 비열이 작은 물질의 온도 변화가 크다 - 비상교육 참조

 

따라서, 온도 변화가 큰 식용유가 비열이 작다는 것을 알 수 있습니다.

 

4) 질량과 온도변화

같은 종류의 물질에 같은 열량을 가한다면, 질량이 클수록 온도 변화가 작아요. 따라서 온도 변화와 질량은 반비례.

물 10g과 물 100g을 같은 세기의 불꽃으로 같은 시간 가열하면 물 10g이 먼저 끓죠? 따라서 질량이 작을수록 온도 변화가 크다는 것을 알 수 있습니다. 

 

5. 여러가지 물질의 비열

비열은 물질의 특성이므로 물질마다 비열이 다릅니다. 물의 비열은 1이고, 식용유의 비열은 0.4이죠. 표는 여러 가지 물질의 비열입니다. 참고로 비열을 암기할 필요는 없습니다. 

물질	물	식용유	콘크리트	알루미늄
비열	1.00	0.40	0.22	0.21
물질	모래	철	구리	납
비열	0.19	0.11	0.09	0.03

<단위는 kcal/(kg·℃)>

표를 보면 물의 비열이 다른 물질에 비해서 큰 편이죠. 그래서 우리 몸의 체온이 급격하게 올라가지 않고, 기후에도 많은 영향을 주는 것입니다.

 

6. 비열을 이용한 현상

1. 가정의 보일러는 비열이 큰 물을 데워 난방을 합니다.
2. 자동차 엔진의 냉각수로 비열이 큰 물을 사용합니다.
3. 찜질 팩 속에 비열이 큰 물질을 넣어 오랫동안 따뜻함을 유지합니다.
4. 비열이 큰 뚝배기는 뜨거운 상태를 오랫동안 유지하는 음식을 요리할 때 사용하고, 비열이 작은 금속 냄비는 음식을 빨리 요리할 때 사용하죠.
5. 사람 몸안에 물이 있어서 체온이 급격하게 변하는 것을 막아줍니다.
6. 해안지역이 내륙지역에 비해 온도 변화가 적죠.
7. 낮에는 해풍이 밤에는 육풍이 부는 것도 물의 비열이 커서 생기는 현상입니다. 

낮에는 해풍, 밤에는 육풍이 불죠.

 

낮에는 태양때문에 육지가 빨리 뜨거워지므로, 육지 쪽에 공기가 위로 이동하여 바다에서 육지 쪽으로 공기가 이동하게 됩니다. 공기가 이동하는 것이 바람이죠^^ 밤에는 육지가 빨리 식기 때문에 상대적으로 바다의 온도가 높아서 바다 쪽에 공기가 위로 올라가면 육지 쪽에서 공기가 이동하게 됩니다.

 

이상 비열에 대해서 알아봤습니다.^^ 서서히 기말고사가 다가오고 있네요^^ 문제 풀이를 준비하도록 하겠습니다.^^