1. 열용량, 비열 비교
ㅇ 열 용량 (Heat Capacity) : C
- 물질이, 큰 온도 변화 없이, 열적 에너지를 흡수할 수 있는 능력
ㅇ 비열 (Specific Heat Capacity) : c 또는 C ☞ 비(比):Specific 참조
- 단위 질량 물질이, 열을 흡수하는 본질적인 능력의 비교 척도
. 단위 질량을 1℃(또는 1K) 올리는 데 필요한 열량
* 물질 마다 고유한 비열 값을 갖음
. 즉, 비열은, 여러 다른 물질의 에너지 저장 능력을 비교할 수 있는, 열역학적 상태량 임
2. 비열의 정의
ㅇ (정의) 단위 질량 (때론,몰수) 당 열 용량
ㅇ (척도) 1 [g] 물질을 1 [K] 또는 1 [℃] 올리는데 필요한 열 에너지(열량) [J]
ㅇ (표현식) 열량 Q = 질량 M x 비열 C x 온도변화 △T
- C = (△Q / △T)· 1/M = (열용량) / (질량)
ㅇ (단위) [kJ/kg·1/K], [kJ/kg·1/℃], [J/(mol·K)]
ㅇ (의미) 열을 흡수하여 에너지로써 저장하는 능력
- 단위 질량 당 물질을 1도 온도 만큼 올리는 데 필요한 열량
ㅇ (용어) 비열 (比熱) = 견줌 열용량 (Specific Heat Capacity, Specific Heat)
3. 비열의 구분
ㅇ 정적 비열 (specific heat at constant volume) : cv
- 일정 체적 하에, 단위 질량 물질을 1 도 올리는데 필요한 열 에너지
. 부피는 일정하나, 압력이 변함
* 일정 부피 하에는,
. 흡수된 열은 오로지 내부 에너지 (운동 에너지) 만을 증가시킴
ㅇ 정압 비열 (specific heat at constant pressure) : cp
- 일정 압력 하에, 단위 질량 물질을 1 도 올리는데 필요한 열 에너지
. 압력이 일정하나, 부피가 변함
* 일정 압력 하에는, 팽창에 따른 일을 하게 되므로,
. 흡수된 열은 내부 에너지 증가 뿐만 아니라, 팽창에 따른 일로도 사용됨
※ 물질이 열을 받을 때/흡수 할 때, 조건(압력,부피 등)에 따라 에너지 저장 능력이 달라지므로,
- (특히, 기체는 정압 조건에서 팽창하며 일(에너지 손실)을 하는 등 : 아래 4.항 참조)
- 상황에 맞는 비열(정적 비열,정압 비열)을 사용해야, 정확한 열역학적 계산이 가능함
4. 기체, 고체/액체에서, 비열
ㅇ 기체의 경우 : 비열값이 달라짐 (변화 큼)
- 일정 압력 및 일정 체적 하에서도, 온도에 따라 비열이 달라짐
. 따라서, 정적 비열, 정압 비열 모두 고려 필요
* 만일, 가열하면 열 팽창에 의하여 외부 압력에 대해(대항하여) 일을 하게됨
. 가한 열의 일부는, 내부 기체를 가열하지만,
. 그 나머지는, 외부 압력에 대항하여 외부 팽창을 하면서 일을 하는데에도 사용됨
* 결국, cv (정적 비열) < cp (정압 비열)
. 팽창 일에 필요한 에너지를, 외부에서 추가적으로 공급해야 하므로,
. 정압 비열이 정적 비열 보다 크게 됨
* (의존성)
. 이상기체인 경우에 만, 비열은 온도에 만 의존함
. 대부분의 순수물질에서, 비열은 온도 뿐 만 아니라 비체적,압력에도 일부 의존함
* 기체의 비열은, 기체의 성질을 파악하고, 열 관련 현상을 이해하는 데 필요
. 실험과 이론적 계산을 통해 기체의 비열을 알아내고, 이로부터 다양한 문제 해결 및 응용
ㅇ 고체,액체의 경우 : 비열값의 차이가 작음 (변화 작음)
- 부피 팽창이 두드러지지 않아, 정적 비열은 별 변화 없음
. 따라서, 주로, 정압 비열 만을 그대로 비열로 삼음
* 주요 정압 비열 값 例 [J/℃·1/g (1 atm 25℃에서)]
. 구리 : 0.387, 금 : 0.129, 납 : 0.128, 물 : 4.184, 철 : 0.4498, 은 : 0.235
. 한편, 물은 유난히 높은 비열(열 흡수 능력)을 갖는 물질 임
.. 낮은 온도 범위에서, [cal/℃·1/g] 단위로는, 값이 1 임