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1. 개요
比熱 / Specific heat비열은 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 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 비열이 늘었다고 생각할 수 있으나 그건 열용량이 커진 것이다. 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 요인
- 수소 결합, 반 데르 발스 힘 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.[1]
- 분자량: 복잡한 분자 구조를 가진 물질일수록 분자를 진동시키고 회전시키는 데 더 많은 에너지가 필요하여 비열이 높아진다.
- 자유도: 분자는 병진 운동, 회전 운동, 진동 운동을 할 수 있는데, 이러한 운동의 자유도가 많을수록 에너지를 흡수하는 방식이 다양해지므로 비열이 높아진다. 예를 들어 기체 상태의 분자가 가진 자유도는 고체나 액체 상태의 동일 분자보다 높아 비열이 증가한다.
- 온도
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. 정압비열(등압비열)
정압비열(등압비열)은 압력이 일정하게 유지되는 열역학적 과정에서의 비열이다.[math(C_p=({\frac{\partial H}{\partial T})_p})]
우리가 흔히 말하는 비열은 이것을 가리킨다.
3.3. 정적비열(등적비열)
정적비열(등적비열)은 물체의 부피가 일정하게 유지되는 열역학적 과정에서의 비열이다.[math(C_v=({\frac{\partial U}{\partial T})_v})]
3.4. 정압 비열과 정적 비열의 관계
[math(C_p=C_v + R)]
정압 비열은 정적비열에 비해 기체 상수만큼 더 크다.
이유를 쉽게 생각하자면, 물질이 강철 용기에 담겨서 측정되는 정적 비열의 경우 투입된 일이 모두 물질의 온도를 높이는 데 사용되지만, 물질이 피스톤에 담겨서 측정되는 정압 비열의 경우 투입된 일이 물질의 온도를 높이는 데뿐만 아니라 피스톤을 밀어내는 데에도 쓰이기 때문이다.
4. 각 물질의 비열
- 물: 1cal/g·K=4.2J/g·℃(14.5℃->15.5℃) - 비열이 매우 크기 때문에 냉각재로 쓰이기 좋다. 같은 원리로 낮에는 육지보다 바다가 상대적으로 천천히 데워지기 때문에 육지보다 바다의 온도가 낮고 밤에는 바다가 천천히 식기때문에 바다의 온도가 더 높다.
- 철: 0.107cal/g·K
- 카드뮴: 0.055cal/g·K
- 저마늄(게르마늄): 0.077cal/g·K
- 금: 0.0308cal/g·K
- 공기: 정압비열: 0.241cal/g·K, 정적 비열: 0.17cal/g·K
- 얼음: 0.487cal/g·K
- 증기(1psia): 0.349cal/g·K
- 황동: 0.092cal/g·K
- 알코올(0℃): 0.55cal/g·K
- 석유: 0.5cal/g·K
- 콘크리트: 0.27cal/g·K
- 알루미늄: 0.21cal/g·K
- 대리석: 0.21cal/g·K
[1] 수소 결합 때문에 비열이 높다.