재료: 열의 정의, 열전도율, 열용량
아이스티, 아이스 밀크, 아이스 시럽 등을 드셔 보신 적 있으신가요? 아이스티를 만들 때는 보통 유리잔에 뜨거운 물이나 따뜻한 물과 얼음을 넣습니다. 뜨거운 물이나 따뜻한 물은 온도가 높고, 얼음은 온도가 낮습니다. 잠시 동안 얼음과 뜨거운 물이 닿으면, 얼음과 따뜻한 차의 온도가 같아져 아이스티가 됩니다. 뜨거운 물과 찬물을 섞을 때도 같은 원리가 적용됩니다. 뜨거운 물과 찬물이 닿으면, 다시 따뜻한 물이 됩니다. 왜 이 두 물체는 닿으면 같은 온도가 될 수 있을까요?
열의 정의
온도가 다른 물체가 접촉하면 열이 전달되는데, 이를 흔히 열이라고 합니다. 열은 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 이동합니다. 이 열 전달은 접촉하는 두 물체의 온도가 같아지면 멈춥니다. 예를 들어, 뜨거운 물과 찬물을 섞으면 열은 보통 뜨거운 물에서 찬물로 이동합니다. 뜨거운 다리미를 찬물에 넣으면 뜨거운 다리미에서 물로 열이 이동합니다. 열의 흐름은 다리미와 물의 온도가 같아지면 멈춥니다. 의사나 간호사가 체온계를 몸에 대면 체온계로 열이 이동합니다. 이 열 전달은 체온과 체온계의 온도가 같아지면 멈춥니다. 수은 체온계를 사용하는 경우, 체온과 체온계의 온도가 같아지면 수은 표면의 움직임이 멈춥니다. 이때 수은 표면에 표시되는 숫자가 체온입니다.
자연적으로 열은 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동합니다. 열 전달은 서로 접촉하는 물체의 온도를 균등하게 하려는 경향이 있습니다. 18세기 물리학자들은 열의 흐름이 유체, 즉 눈에 보이지 않는 어떤 종류의 유체(유체는 흐를 수 있는 물질입니다. 액체와 기체가 유체에 속하며, 물(액체)은 흐를 수 있으므로 유체이고, 공기도 흐를 수 있으므로 유체입니다)의 움직임이라고 추측했습니다. 이 유체를 '칼로릭 '이라고 명명했습니다 . 그러나 실험 결과에 따르면 칼로릭 의 존재를 증명할 수 없기 때문에 칼로릭 이론은 더 이상 사용 되지 않습니다.
19세기, 영국의 물리학자 제임스 프레스콧 줄(1818-1889)은 교반기를 이용해 용기 안의 물을 가열하는 방법을 연구했습니다. 줄은 실험 결과를 바탕으로 불에 의해 가열되는 물과 비교했습니다. 불꽃과 물이 담긴 용기가 접촉하면 열은 불(고온)에서 물(저온)로 이동합니다. 줄은 불과의 접촉으로 인한 물의 온도 상승과 교반기가 하는 일로 인한 물의 온도 상승을 비교하여 열이란 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동하는 에너지라는 결론을 내렸습니다. 열은 특정 유형의 에너지(운동 에너지, 위치 에너지, 화학 에너지 등)가 아닙니다 . 열은 온도 차이로 인해 이동하는 에너지 입니다 . 따라서 열이 고온의 물체에서 저온의 물체로 흐른다는 것은 실제로 에너지가 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동하는 것을 의미합니다. 접촉하는 물체들이 같은 온도에 도달하거나 열평형 상태 에 이르면 에너지 전달이 멈춥니다.
열전도율
대부분의 조리 도구가 알루미늄으로 만들어지는 이유는 무엇일까요? 왼손에 다리미를, 오른손에 유리잔을 들고 불에 올려놓았다고 가정해 보세요. 왼손과 오른손 중 어느 손이 더 빨리 열을 느낄까요? 이러한 질문들은 물체의 열전도율과 관련이 있습니다. 물체의 열전도율은 물체가 열을 전달 하는 능력을 나타냅니다. 열전도율(k)이 높은 물체는 열을 잘 전달하는 물질(열전도체)이고 , 반대로 열전도율이 낮은 물체는 열을 잘 전달하지 못하는 물질(열전도체)입니다.
열용량
열용량(섭씨)은 물체 전체의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량 입니다 . 열용량 공식은 다음과 같습니다.
C = mc
참고: C = 열용량, m = 물체의 질량, c = 물체의 비열 .
