열

에너지로서의 열

열을 포함하여 여러 가지 형태의 에너지는 일로 변환하는 것이 가능하기 때문에 에너지의 양은 줄(J), ft·lb(푸트-파운드), kWh(킬로와트-시), ㎈(칼로리)와 같은 일의 단위로서 표현한다.

물체에 가해지거나 제거되는 열의 양과 물체의 상태에 끼치는 영향 사이에는 정확한 관계가 있다. 열의 단위로서 가장 널리 사용되는 2가지는 칼로리와 영국열량단위(British thermal unit/BTU)이다. 칼로리 또는 그램-칼로리는 물 1g의 온도를 14.5℃에서 15.5℃로 올리는 데 필요한 에너지의 양을 말하며 1BTU는 물 1lb의 온도를 63℉에서 64℉로 올리는 데 필요한 에너지 양을 말하는데 1BTU는 약 252㎈에 해당한다. 이 2가지의 정의에서 온도의 변화는 1기압의 일정한 압력하에서 측정하도록 되어 있는데 이는 온도변화에 필요한 에너지의 양이 압력과도 관련되어 있기 때문이다.

음식에 포함되어 있는 에너지의 양을 나타내는 데 사용되는 칼로리는 큰칼로리(Cal) 또는 킬로그램-칼로리(㎉)인데 이는 1,000㎈와 같은 양이다.

일반적으로 어떤 물질의 단위질량(예를 들어 1g)의 온도를 1℃만큼 증가시키는 데 필요한 에너지를 그 물질의 비열이라고 부른다. 어떤 물체의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 에너지는 부가하는 조건에 따라서 다른 값을 갖게 된다. 만일 일정한 부피로 밀폐되어 있는 기체에 열을 가하게 되면 기체의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열의 양은 동일한 기체가 자유 팽창을 할 수 있어서(이동이 가능한 피스톤으로 막혀 있는 실린더 내부에 있는 기체처럼) 일을 할 수 있을 때 이 기체에 가하는 열의 양보다 작은 값을 갖게 된다.

전자의 경우, 모든 에너지는 기체의 온도를 증가시키는데 사용되지만 후자의 경우에는 기체의 온도를 증가시키는 데 사용될 뿐만 아니라 기체가 피스톤에 대해서 하는 일을 하는 데도 사용된다. 따라서 물질의 비열은 이와 같이 조건에 따라서 달라지는데 가장 일반적으로는 정적비열(定積比熱)과 정압비열(定壓比熱)을 사용한다. 다수의 원소에서 열용량과 원자량이 서로 밀접하게 관련이 되어 있다는 사실이 프랑스의 과학자인 피에르 루이 뒬롱과 알렉시 테레즈 프티에 의해서 1819년에 밝혀졌다(뒬롱-프티의 법칙). 뒬롱-프티의 법칙으로 알려져 있는 이 법칙은 어떤 금속 원소의 원자량을 결정하는 데 유용했으나, 많은 예외가 존재했다.

이와 같은 예외는 훗날 양자역학에 입각하여 설명할 수 있게 되었다.

어떤 물체 내에 있는 열이라고 말하는 것은 틀린 표현인데 이것은 열은 전달되는 에너지의 양에 국한하여 사용하기 때문이다. 열은 어떤 물체에 저장되어 있는 에너지가 아니다(일도 에너지의 전달이기 때문에 저장되어 있는 에너지가 아님). 그러나 드러난열(sensible heat)과 숨은열이라는 용어가 관습적으로 사용되고 있다.

숨은열은 기화열이라고도 하는데 액체를 같은 온도·압력하에서 기체로 만드는 데 필요한 에너지의 양을 말한다. 고체를 녹여서 액체를 만드는 데 필요한 에너지의 양은 용융열(熔融熱)이라고 하며 승화열은 고체를 직접 기체로 만드는 데 필요한 에너지의 양을 말한다. 이와 같은 변화도 같은 온도·압력하에서 일어난다.

공기는 기체와 수증기의 혼합물이어서 공기 중에 존재하는 물의 상태가 액체(비)나 고체(눈)로 변할 수 있다. 이와 같은 상변화와 관련된 열(숨은열)과 온도의 변화와 관련된 열을 구별하기 위해서 드러난열의 개념이 도입되었다. 수증기와 공기의 혼합물에서 드러난열은 상변화에 필요한 에너지를 제외한 온도의 변화를 일으키는 데 필요한 열만을 뜻한다.

열전달

열전달에는 3가지의 형태가 있다. ① 고체나 정지해 있는 액체에서 전도에 의한 열전달, ② 움직이는 상태에 있는 액체나 기체에서 유체흐름에 의한 전도와 더불어 대류에 의한 열전달, ③ 복사에 의한 열전달 등이 있는데 복사는 물질 매개물의 개입 없이 발생한다.

금속봉에서 열의 흐름은 프랑스의 수학자 장 바티스트 조제프 푸리에에 의해서 해석적으로 연구되었으며 프랑스의 물리학자인 장 바티스트 비오는 1816년에 이를 측정했다. 물의 열전도율은 1839년에 최초로 측정이 되었으며 기체의 열전도율은 1860년이 되어서야 측정이 되었다(→ 열전도).

비오는 1804년에 전도법칙을 공식화했고, 푸리에는 이 현상에 대한 수학적인 표현을 1822년에 발표했다. 1803년 적외선 빔이 가시광선처럼 반사와 굴절을 한다는 사실이 밝혀졌으며 이후 열복사의 연구가 일반적인 복사연구의 한 분야가 되었다. 1859년에 독일의 물리학자 구스타프 로베르트 키르히호프가 방출능과 흡수율(absorptivity)을 연관짓는 자신의 복사법칙을 발표했다(→ 키르히호프).

오스트리아의 요제프 슈테판은 흑체의 복사 에너지와 온도의 4제곱사이의 관계(슈테판-볼츠만 법칙이라고 함)를 확립했다(→ 슈테판-볼츠만 법칙). 볼츠만은 복사에 관한 이 법칙의 수학적인 기초를 1884년에 확립했다. 플랑크가 양자의 개념에 도달하게 된 것은 복사에 관한 연구에 의해서였다. 대류에 의한 열전달을 이해하게 된 것은 1880~1920년에 이루어졌는데 이와 같은 과정을 표현하는 방정식은 1701년에 아이작 뉴턴이 이미 제안했다(→ 적외선복사, 키르히호프의 복사법칙).→ 열역학