비열(물리학)

比熱 / Specific heat

1 개요

비열은 단위 질량의 어떤 물질의 온도를 단위 온도만큼 올리는 데 필요한 열량을 말한다. 일반적으로 쓰이는 비열의 단위인 cal/g·K 또는J/g·℃는 1g의 어떤 물체의 온도를 1℃(=K) 올리는 데 필요한 열량을 나타내는 단위다. 전자와 후자의 차이는 열량의 단위로 칼로리(cal)를 선택했는지, 아니면 줄(J)을 선택했는지의 차이 뿐이다. 다른 단위로는 J/mol·K가 쓰이기도 하는데, 이는 g를 mol로 바꾼 것으로 1mol의 어떤 물체의 온도를 1K만큼 올리는 데 사용되는 열량을 의미하는데, 보통 그 오른쪽에 온도를 붙인다.

물질마다 고유의 값이 있으며, 그 물질만의 특성이다. 예를 들어 철로 된 숟가락을 불에 가져다 대면 숟가락은 곧바로 손으로 만질 수 없을 정도로 뜨거워지지만 냄비에 담긴 물을 끓일 때는 물은 곧바로 끓지 않고 한참 기다려야 끓는다. 이 현상은 철은 비열이 작고 물은 비열이 크기 때문에 일어나기 때문에 발생한다. 철은 비열이 낮기 때문에 조금만 열을 가해도 금방 온도가 높아지지만 물은 비열이 크기 때문에 같은 온도까지 도달하는데 훨씬 더 많은 열이 필요한 것이다. 이와 같이 철과 물의 비열이 다른 것처럼 서로 다른 물질의 비열은 다르다. 또한 냄비에 담긴 물의 양을 늘리면 물이 끓는 데 걸리는 시간은 점점 더 길어지게 되는데, 냄비의 물의 양과 걸리는 시간은 비례적으로 증가하게 된다. 즉, 냄비의 물의 양이 2배가 되면 걸리는 시간도 2배가 되고 물을 3배로 늘리면 끓는데 걸리는 시간도 3배로 늘어난다(믿을 수 없다면 직접 해 보자). 이는 비열이 물질의 양과는 상관없는 물질 고유의 값이라는 것을 보여준다. 얼핏 생각하면 물의 양이 늘어나면 열을 많이 가해야 끓으므로 그건 열용량이 커진 것이고, 비열에는 단위 질량이라는 조건이 있다.

어떤 물질의 비열이 x cal/g·K일 때, 그 물질로 구성된 a g의 물체를 b ℃만큼 올리기 위해서는 abx cal의 열량이 필요하다. 마찬가지로 어떤 물질의 비열이 x J/g·℃일 때, 그 물질로 구성된 a g의 물체를 b ℃만큼 올리기 위해서는 abx J의 열량이 필요하다.

2 비열에 영향을 주는 것

• 수소 결합 등 분자 간 인력: 분자 간 인력이 클수록 그 결합을 끊는 데 열에너지가 사용되기 때문에 온도를 높이는 데 열에너지가 많이 필요하므로 그만큼 비열이 크다. 이런 이유로 비열이 큰 물질의 대표적인 예로는 물이 있다.

3 종류

비열의 종류에는 몰비열, 등압비열. 등적비열 등이 있다. 또한 '등압', '등적' 과 '몰' 이 결합된 등압몰비열, 등적몰비열도 있다.

3.1 몰 비열

몰 비열은 1몰을 1K 올리는데 필요한 열량을 말한다. 그 값은 분자량과 비열을 곱한 값이며, 보통 대문자 C로 표시한다.

3.2 등압비열

등압비열은 압력이 일정하게 유지되는 열역학적 과정에서의 비열이다.

3.3 등적비열

등적비열은 물체의 부피가 일정하게 유지되는 열역학적 과정에서의 비열이다.

3.4 등압몰비열과 등적몰비열의 관계

이상 기체에서는 '등압몰비열(Cp)=등적몰비열(Cv)+R' 또는 '등적몰비열(Cv)=등압몰비열(Cp)-R'이다.

4 각 물질의 비열

• 물: 1cal/g·K=4.2J/g·℃ - 비열이 매우 크기 때문에 냉각재로 쓰이기 좋다. 같은 원리로 낮에는 육지보다 바다의 온도가 낮고 밤에는 바다의 온도가 더 높다.
• 철: 0.107cal/g·K
• 카드뮴: 0.055cal/g·K
• 게르마늄: 0.077cal/g·K
• 금: 0.0308cal/g·K