열용량

상태 변화 없이 물체 온도를 1K 올릴 때, 필요한 열량을 열용량(heat capacity)이라고 한다. 비열용(specific heat capacity) 또는 비열(specific heat)은 순수한 물질 단위 질량의 온도를 상태 변화 없이 1K (1°C) 올릴 때 필요한 열량을 가리킨다. 열용량은 열량계를 사용하여 측정할 수 있다.

목차

근대적인 열역학이 확립되기 전에는 열을 '칼로릭'(caloric)이라고 부르는 유체라고 생각하였다. 물체에 따라 이러한 유체를 수용할 수 있는 정도가 다르며, 열의 수용 능력을 '열용량'이라고 불렀다. 1750년대 영국의 화학자 블랙(Joseph Black)이 열용량이라는 용어를 처음 사용하였다.¹⁾ 현대 열역학에서는 입자의 운동 에너지 및 퍼텐셜 에너지를 포함하는 내부 에너지의 개념이 확립되었다. 열의 전달은 유체의 흐름이 아니라 입자의 평균 운동 에너지의 변화라는 사실을 이해하게 되었다. 하지만 열용량이라는 용어는 아직도 유용하게 사용되고 있다.

단위 질량으로 몰 혹은 그램을 사용하고, 에너지 단위로 @@NAMATH_INLINE@@cal@@NAMATH_INLINE@@를 사할 수도 있다. 따라서 이들을 조합하여 여러 가지 비열의 단위가 사용한다. @@NAMATH_INLINE@@C = \frac{q}{\Delta T}@@NAMATH_INLINE@@이므로 열용량의 @@NAMATH_INLINE@@SI@@NAMATH_INLINE@@ 단위는 @@NAMATH_INLINE@@J \, K^{-1}@@NAMATH_INLINE@@이다. @@NAMATH_INLINE@@1 \ mol@@NAMATH_INLINE@@ 당 열용량 @@NAMATH_INLINE@@C_m@@NAMATH_INLINE@@의 @@NAMATH_INLINE@@SI@@NAMATH_INLINE@@ 단위는 @@NAMATH_INLINE@@J \ K^{-1}{mol}^{-1}@@NAMATH_INLINE@@이다. 비열의 단위로는 @@NAMATH_INLINE@@J \ K^{-1}{g}^{-1}@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@cal\ K^{-1}{g}^{-1}@@NAMATH_INLINE@@ 등을 사용한다.

압력이 일정한 상황에서 변화가 일어날 때 열용량을 일정 압력 열용량(@@NAMATH_INLINE@@C_p@@NAMATH_INLINE@@), 부피가 일정한 상황에서 변화가 일어날 때 열용량을 일정 부피 열용량(@@NAMATH_INLINE@@C_V@@NAMATH_INLINE@@)이라고 한다.

@@NAMATH_INLINE@@C_p={ \left ( \frac{dq}{dT} \right )}_p@@NAMATH_INLINE@@

@@NAMATH_INLINE@@C_V={ \left ( \frac{dq}{dT} \right )}_V@@NAMATH_INLINE@@

일정한 압력에서 가열할 때에는 온도 상승에 따라 부피가 증가한다. 이 경우 팽창에 따른 에너지가 추가로 공급되어야 하므로 일정 압력 열용량은 일정 부피 열용량보다 크다.

고체나 액체의 경우 온도 변화에 따른 부피 변화가 크지 않으므로 일정 압력 열용량과 일정 부피 열용량의 차이가 크지 않다.

@@NAMATH_INLINE@@C_p \thickapprox C_V@@NAMATH_INLINE@@(고체, 액체)

기체의 경우 온도 변화에 따른 부피 변화가 크기 때문에 일정 압력 열용량과 일정 부피 열용량의 차이가 크다. 이상 기체의 경우 두 열용량의 차이는 다음과 같다.

@@NAMATH_INLINE@@C_p - C_V = nR@@NAMATH_INLINE@@ (이상 기체)

1.