줄열

전류가 흐를 때 도체의 전기저항에 의해 발생하는 열을 줄열이라고 한다.

영국의 물리학자 제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule, 1818 ~ 1889)은 1840년부터 1843년까지 전류에 의해 발생된 열을 연구한 결과, 그림 1과 같은 실험장치 속의 물에 도체 와이어를 넣고 전류를 흘렸을 때 올라간 물의 온도를 측정하는 실험을 통해 전류를 흘려서 열을 발생시킬 수 있다는 것을 발견하였다.

그림 1. 줄열 측정 실험 기구()

또한 전류의 세기와 와이어의 길이를 바꿔가며 실험한 결과, 도체에 단위시간당 발생하는 줄열이 도체에 흘린 전류값의 제곱과 와이어의 전기적 저항을 곱한 값에 비례한다는 것을 알아냈다. 식(1)@@NAMATH_INLINE@@P=VI=I^{ 2 } R@@NAMATH_INLINE@@ (단위: J/s) P: 단위 시간당 줄열, V: 전압 I: 전류 R: 저항

저항이 R인 물체에 전류 I가 t초 동안 흐르는 동안 와이어에서 발생한 열은 식(2)로 쓸 수 있다. 식(2) @@NAMATH_INLINE@@Q=P t=VI t=I^{ 2 } R t @@NAMATH_INLINE@@

미시적인 관점에서 줄열은 전자와 같은 전하운반자(charge carrier)가 도체를 이루는 원자 이온들과 상호작용하여 일어나는 과정이다. 도체의 두 점 사이의 전압 차이는 전하운송자를 전기장 방향으로 가속시키는 전기장을 만들어 전하운송자의 운동에너지를 증가시킨다. 그러나 전하를 띤 입자가 도체 내의 이온들과 충돌할 때 입자들은 산란되어 전기장의 방향으로 움직이는 것이 아니라 무작위로 운동하게 된다. 이러한 무작위 운동은 전기장에 의해 증가했던 입자들의 운동에너지를 감소시키고 반대로 이온들의 진동에너지가 증가하여 열을 발생시킨다. 즉, 전기에너지가 열에너지로 변환된다.

열에너지가 에너지의 일종이라는 것이 알려지기 전까지 열을 이해하려는 다양한 흐름이 있었다. 1783년 라부아지에는 칼로릭 이론을 주장하였는데, 열을 스스로 밀어내는 칼로릭이라는 유체로 이루어져 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 움직이며 보존되는 양으로 생각하였다. 칼로릭 이론은 한동안 옳은 것으로 여겨져 열량의 단위로 칼로리(calorie, 기호 cal)를 사용하였고 그 영향으로 오늘날까지도 에너지의 단위로 cal(calorie)을 사용하기도 한다.

1798년에 럼포드 백작이라 불리는 영국의 물리학자 톰슨은 칼로리 이론에 반하는 ‘마찰에 의해 일어나는 열의 원천에 대한 실험적 고찰’ 이라는 논문을 발표했고 기계적인 일이 열로 변환 될 수 있다는 그의 주장에 영향을 받은 제임스 줄은 실험을 통해 열이 에너지의 일종임을 보이고, 1 cal가 약 4.186 J에 해당한다는 열의 일당량(mechanical equivalent of heat)을 발표하였다.

그림 2. 제임스 줄(출처:한국물리학회)