04. 열용량

열역학

PART 04. 열용량

온도가 몇 도 ≠ 그 물체가 가진 열량이 얼마인가(에너지 양)

∵ 두 물체의 열용량이 다름

EX)

파렌하이트의 실험

일정량의 차가운 물 + 알고 있는 질량과 온도를 가진 뜨거운 물

일정량의 차가운 물 + 알고 있는 질량과 온도를 가진 뜨거운 수은

→ 뜨거운 물이 뜨거운 수은 보다 온도가 높음

∴ 물이 수은 보다 많은 열을 포함 = 물의 열용량 > 수은의 열용량

이때, 물 이외의 물질에 대한 열용량을 항상 물과 비교하여 나타냄

이것이 비열(specific heat)이다.

물 1g 1℃ 올리는데 필요한 열량은 1cal

이때, 물의 비열은 1cal/g℃

밀도와 점도 같이 물질의 고유 특성(온도와 압력에 따라 변화)이다.

따라서, 1cal/g℃ 는 특정한 온도 범위에서의 평균 비열 값이다.

열용량은 물질이 에너지를 보유 할 수 있는 능력을 나타내는 물질의 고유 성질

실험적으로 측정 할 수 있는 물리량이라서 실질적 계산에 직접 사용한다.

C=Q/△T 로 정의(일정량 열을 가했을 때, 온도변화는 열용량에 반비례 함)한다.

EX) 동일한 질량 A 물질이 두 용기에 담김

10℃, 50℃ 라 하자, 1℃씩 올려

11℃, 51℃ 로 만들고자 할 때 열량은 같은가 다른가?

정답 : '다르다'

∵ 물질의 열용량은 온도에 따라 달라지며 △T는 동일하지만 열용량이 다름

+ 물질에 열이 전달되는 과정에 따라서도 열용량이 변화함

물질에 열이 전달되는 과정 = 등용과정 / 등압과정

어느 과정에서 온도 변화가 더 커질까?

△Tv > △Tp

상식적으로, 열이 전달되면서 부피가 늘어나고 압력이 일정한 경우보다

밀폐공간에 열이 가해져 압력이 증가 할 때 온도가 더욱 상승할 것임

따라서, 동일한 물질에 같은 양의 열이 전달되어도 도달하는 온도가 다르다.

C=Q/△T 에 의해 두 경우의 열용량은 서로 다르게 된다.

등용과정 일 때가 등압과정 일 때 보다 온도변화가 커서 Cv < Cp 이다.

'엔탈피' 에서,

등용 과정 일 때,

(∵ 등용이므로, P는 외부압과 같고 P1, P2 와 동일 / V는 고정되어 있으므로 V1, V2 와 동일)

전달된 열량은 내부 에너지 변화와 동일

등압 과정 일 때,

Q = △H

전달된 열량은 엔탈피의 변화와 동일

따라서,     

여기서, U, H 값을 계산 할 수 있음

EX)

간단하지만, 중요하다.

앞에서 설명한 것과 같이 내부 에너지와 엔탈피는

일종의 개념적인 물리량이며 상대적으로 정해진다.

중요한 것은 절대값이 아닌 '변화량'

이런 변화량을 계산 해주는 유일한 물성이 '열용량'이다.

열용량은 물질의 상변화가 일어 날 때 무한대가 된다.

EX)

100℃ 의 물이 기화하여 100℃ 의 증기가 되는 과정

물질에 열량이 가해져도 △T 는 0 임

따라서, C 의 값이 무한대

이것은 물질이 안정 혹은 불안정한 상태에 있는가를 판단

열용량은 물질의 엔탈피에 대한 개념을

현실적인 계산으로 구체화시키기 때문에 중요하다.