열

온도 차이에 의해 한 물체에서 다른 물체로 전달되는 에너지를 열(heat)이라고 한다. 열의 열역학적 정의는 '일이나 물질의 교환 없이 한 계에서 다른 계로 전이되는 에너지'를 말한다.¹⁾ 계가 가지는 에너지는 열과 일의 형태로 다른 계 또는 주위에 전달된다. 하지만, 열과 일은 전달되는 에너지를 말하며, 계가 가지는 에너지가 열은 아니다.

온도가 다른 두 물체가 접촉하고 있으면 에너지가 열의 형태로 전달된다. 열은 자발적으로 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러간다. 열을 흡수하면 일반적으로 온도가 올라간다. 하지만 상변화가 일어나거나 열을 흡수하여 일하면 온도가 변하지 않을 수도 있다.

열은 두 물체의 직접 접촉 혹은 벽을 통한 접촉에 의해 전도된다. 접촉하고 있지 않은 물체 사이에서는 대류 또는 복사(radiation)에 의해 열이 전달된다.

그림 1. 벽난로의 장작에서 발생하는 열()

목차

온도는 뜨겁고 차가운 정도를 나타내는 물리적 양이다. 온도가 열은 아니지만, 어떤 물체가 가진 에너지는 온도, 질량, 물체를 이루는 물질의 종류에 따라 달라진다. 온도는 물체를 이루고 있는 원자나 분자의 평균 운동에너지에 대한 척도이며, 질량이나 물질의 종류와는 관계가 없다. 열에너지는 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 자발적으로 전달되므로 온도와 열은 밀접하게 연관되어 있다. 온도의 SI 단위는 절대온도(K)이다. 절대온도는 섭씨온도에 273.15를 더한 값이다.

@@NAMATH_INLINE@@K = \,^oC+ 273.15 @@NAMATH_INLINE@@

열은 에너지의 한 형태로 열의 SI 단위는 줄(J)이다. 일상에서 많이 사용되는 열의 단위로는 열량(cal)과 Btu(British Thermal Unit)가 있다. 1cal는 물 1g을 1atm에서 14.5°C에서 15.5°C로 가열할 때 필요한 에너지이다. 1BTU는 물 1파운드를 화씨 63^oF에서 64^oF로 가열할 때 필요한 에너지를 말한다.²⁾ 이들 사이에는 다음 관계가 있다.

@@NAMATH_INLINE@@1 \ cal \ = \ 4.1840 \ J \ = \ 0.003966 Btu @@NAMATH_INLINE@@

열이 전달되는 정도를 나타내는 열전도도의 SI 단위로는 @@NAMATH_INLINE@@{J \ s^{-1}}\ {m^{-1}}\ {K^{-1}}={W}\ {m^{-1}}\ {K^{-1}}@@NAMATH_INLINE@@가 사용된다.

열전달 메커니즘은 (1) 접촉하고 있는 고체 사이에서 일어나는 열전도, (2) 액체나 기체의 가열된 입자의 운동으로 전달되는 대류, (3) 전달 매질 없이 일어나는 복사로 나눌 수 있다.

그림 2. 열의 전달()

고체가 열을 흡수하면, 고체를 형성하는 원자, 분자, 전자와 같은 입자의 운동 에너지가 증가한다. 입자들의 진동에 의해 인접하는 입자로 열이 전달된다. 이러한 열의 전달을 전도라고 한다. 좋은 전도체는 구성 입자들이 근접해 있으며, 입자 간 충돌이 효율적으로 일어나므로 에너지를 효과적으로 전달할 수 있다. 금속은 열에너지를 쉽게 전달할 수 있는 자유 전자를 갖고 있으므로 대부분 좋은 열전도체이다. 특히 구리, 알루미늄 등은 열전도도가 매우 높다. 액체나 기체의 접촉에 의한 열전도도는 매우 낮다.

표 1은 몇 가지 물질의 열전도도를 보여준다. 표에서 알 수 있듯이 다이아몬드는 가장 좋은 열전도체이다.

가열된 입자의 이동에 의해 열이 전달되는 것을 대류라고 한다. 기체와 액체에서 일어나는 열전달은 주로 대류이다. 입자의 위치가 고정된 고체에서는 대류가 일어나지 않는다.

기체나 액체가 가열되면 팽창이 일어나면서 밀도가 낮아진다. 가벼워진 기체나 액체가 위로 올라가면 차가운 물질이 빈 자리로 흘러들어온다. 이 과정이 반복되면서 액체의 흐름이 만들어지고, 액체 전체가 비슷한 온도와 밀도가 될 때까지 열이 전달된다.

화재가 일어나면 뜨거워진 기체와 화염은 대류에 의해 건물의 상층부로 번진다. 차가운 공기는 밑으로 흘러들어오고, 산소가 지속해서 공급되면서 불이 번진다.

태양열은 복사에 의해 지구로 전달된다. 복사는 전자기파에 의한 열전달이며, 빛이 이동하는 것과 같은 메커니즘으로 매질이 없는 진공을 통해서도 에너지가 전달된다.

복사 에너지가 물체에 도달하면 에너지는 (1) 흡수되거나 (2) 통과하거나 또는 (3) 반사된다. 물체가 복사 에너지를 흡수하면, 물체를 이루고 있는 입자들의 운동 에너지가 증가하면서 온도가 높아진다.

상태 변화 없이 물체 온도를 1K 올릴 때, 필요한 열의 양을 열용량(heat capacity)이라고 한다.

@@NAMATH_INLINE@@C = \frac{q}{\Delta T} @@NAMATH_INLINE@@ (단위: @@NAMATH_INLINE@@J\ K^{-1}@@NAMATH_INLINE@@)

근대적인 열역학이 확립되기 전까지, 열의 흐름을 유체라고 생각하였다. 물체나 물질에 따라 이러한 유체를 수용할 수 있는 정도가 다르며, 열의 수용 능력을 '열용량'이라고 명명하였다. 1750년대 영국의 화학자 블랙(Joseph Black)이 열용량이라는 용어를 처음 사용하였다. 열의 전달이 더 이상 유체가 흘러가는 것이 아니며, 입자의 에너지가 증가하는 것이라고 알게 되었지만, 열용량이라는 술어는 아직도 유용하게 사용되고 있다.

계가 가진 모든 에너지의 합을 내부 에너지(@@NAMATH_INLINE@@U@@NAMATH_INLINE@@)라고 한다. 계의 내부 에너지 변화량은 주위와 주고받는 열과 일을 합한 값이다.

@@NAMATH_INLINE@@\Delta E = q + w@@NAMATH_INLINE@@

엔탈피 변화량(@@NAMATH_INLINE@@\Delta H@@NAMATH_INLINE@@) 일정한 압력 하에서 변화가 일어날 때 계가 주고받은 열의 양과 같다.

@@NAMATH_INLINE@@(\Delta H)_p = q_p @@NAMATH_INLINE@@

엔트로피 변화량(@@NAMATH_INLINE@@\Delta S@@NAMATH_INLINE@@)은 가역적으로 변화가 일어날 때의 열의 양을 온도로 나눈 값이다.

@@NAMATH_INLINE@@\Delta S={q_{rev} \over T}@@NAMATH_INLINE@@

1. 열은 과학학술용어뿐만 아니라 생활용어로도 널리 사용된다. 학술용어로서 열은 크게 두 가지 의미를 갖는다. 하나는 여기에서 주로 논의되고 있는 온도, 운동에너지와 관련된 에너지의 형태로서의 열이고, 다른 하나는 맨 마지막 부분, 열역학 함수와 열의 관계 부분에서 논의되고 있는 에너지 전달 방식으로서의 열이다. 일반적으로 에너지 전달 방식은 열과 일로 구분하는데, 열은 엔트로피 변화가 수반되는 에너지 전달 방식이고, 일은 엔트로피 변화가 수반되지 않는 에너지 전달 방식이다.
2. 1 파운드 = @@NAMATH_INLINE@@ 1 \ lb \ = \ 0.453 \ kg@@NAMATH_INLINE@@
3. https://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html