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매거진 냉동공학으로의 첫걸음

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계정을 잊어버리셨나요?

by 친절한냉동C May 10. 2016

열에 대한 오해와 진실(1)

온도와 내부에너지

세 번째 살펴볼 내용은 바로 '열'이다.

냉동은 '열'을 다루는 학문이기에 무엇보다도 열에 대한 정확한 개념정리가 필요하다.

특히, '열', '열량', '온도', '내부에너지'와 같이 열과 관련된 용어들은 굉장히 비슷하게 느껴지지만 사실 완전히 다른 의미를 지니기 때문에 이를 정확하게 정리하지 않으면 추후에 냉동공학을 공부함에 있어서 많은 어려움을 겪게 된다.

바른 반석위에 단단한 건축물을 지어나가듯이 가장 기초가 되는 '온도'에 대한 개념을 시작으로 차례대로 '내부에너지', '열', '열량'에 대해 차곡차곡 설명을 하고자 하며 마지막으로는 '열역학 법칙'들에 대해 정리를 하고자 한다.

최대한 내용을 건너뛰지 말고 차례대로 읽어보기를 권장한다.

온도란 무엇인가?

온도란 뜨겁고 차가운 정도를 나타내는 물리량을 말한다.

온도가 높은지, 낮은지 판단하는 감각기관은 바로 피부인데, 사람마다 이 온도를 느끼는 정도는 차이가 있다. 예를들어 같은 실내 공간에 있더라도 어떤사람은 더위를 느끼며 선풍기를 트는 반면 다른사람은 추위를 느끼며 이불을 덥기도 한다. 위와 같이 사람이 판단하는 온도는 개인에 따라 주관적이기 때문에 과학적이지 못하며 조금 더 '객관성'을 담보할 수 있는 방안을 마련해야 한다.

그림1. 추운남자와 더운여자

일반적으로 모든 물질들은 온도가 높으면 팽창하고 온도가 낮으면 수축한다. 그중에서 '수은'이란 물질은 액체 금속으로 온도에 따라 팽창하고 수축하는 정도가 큰 물질이다. 만약 기다란 유리관에 수은을 집어넣고 눈금을 표시하면 주변의 온도에 따라 수은은 팽창·수축하며 어떤 지침을 가리키게 되고, 이는 조금 더 객관적인 수치로써 활용할 수 있을 것이다.

과학자들은 이 원리를 활용하여 물이 얼기 시작하는 온도에서 수은이 나타내는 지침을 0으로 표시하고, 물이 끓기 시작하는 지침을 100으로 표시하였다. 그리고 이를 100등분하여 온도를 나타내었으며 이를 '섭씨온도'라고 하였다. 이때 섭씨온도의 단위는 [℃]이다.

그림2. 얼음물, 끓는물

즉 물이 어는점은 0[℃]이며, 물이 끓는점은 100[℃]이다.

온도와 내부에너지

우리는 앞에서 온도에 대해 정의하고 물질의 팽창·수축과 관계가 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 왜 물질은 온도에 따라 팽창하는 것일까?

이 해답을 찾기위해 우리의 시선을 조금 더 작은 영역으로 가져와 보도록 하자. 바로 '분자'와 '원자'의 세계이다.

우리 주변의 모든 물질들은 기본 입자인 '분자'와 '원자'로 이루어져 있는데, 이는 매우 작아 육안으로는 확인이 불가하며 전자현미경 같은 특수한 장비를 통해서만 그 존재를 확인할 수 있다. 우리가 숨을 쉬는 공기도 마찬가지로 수많은 기체 분자들로 이루어져 있으며 이 분자들은 평균 500m/s의 엄청난 속도로 날아다니며 서로 부딪히거나 우리 피부, 각종 벽등으로 부딪혀 튕겨나가고 있다. 우리가 이를 감지 못하는 이유는 분자의 질량이 매우 작기 때문이며 그에 따른 충격량도 매우 작기 때문이다.

그림3. 분자의 운동

분자의 운동을 조금 더 자세히 살펴보면, 위와 같이 분자는 진동, 회전, 병진운동(평행이동)을 하고 있으며(고체 분자는 병진운동을 하지 않음) 분자가 에너지를 얻게되면 이러한 운동들은 더욱더 격렬해진다. 이 운동을 통틀어 분자의 운동에너지라고 하며, 분자들의 운동에너지 평균을 내부에너지라고 한다.

아래의 예시를 보며 내부에너지를 조금 더 자세히 보도록 하자.

단열된 실린더에 질소기체를 넣은 후 수은 온도계의 감열부를 실린더 내부로 집어넣었다.

이 때, 질소기체의 내부에너지는 수은의 내부에너지보다 크다고 가정한다.

그림4. 질소와 수은

당구공으로 멈춰있던 다른 공을 치면 부딪친 공은 움직이기 시작 하듯이, 기체분자는 감열부에 부딪치며 온도계 내부에 있는 수은분자에 에너지를 전달하고 이는 수은분자의 운동을 더욱 격렬하게 만든다. 즉, 수은분자의 내부에너지는 증가하게 된다.

이때 격렬해진 수은 분자들은 서로의 당기는 힘(인력)을 이기고 서로 멀어지려고 하며 이 과정에서 수은의 부피가 팽창한다.

결국, 온도의 상승과 내부에너지 증가는 수은부피 상승이라는 같은 결과를 만들었다는 것을 알 수 있으며 온도와 내부에너지는 비례함을 알 수 있다.

이는 다음과 같은 사실들로 정리가 될 수 있다.

1) 온도가 증가하면 내부에너지가 증가하며 분자의 운동은 활발해진다. 부피는 증가한다.

2) 온도가 감소하면 내부에너지가 감소하여 분자의 운동은 둔해진다. 부피는 감소한다.

영국의 물리학자인 윌리엄 톰슨-켈빈경(William Thompson ;Kelvin)은 온도에 따른 부피의 감소에 착안하여, 0℃ 기체들의 온도가 감소할때마다 부피가 얼만큼 감소하는지 알고자 하였으며, 여러가지 기체들로 실험을 해본 결과 온도 1[℃]가 감소할 때마다 부피가 약 1/273(정확히는 273.15)씩 감소한다는 사실을 알게 되었다.