[열역학 개념] 열의 이동과 결과, 비열과 열팽창

열

열이란 입자간 이류될 수 있는 원인이자 에너지 전달 형식입니다.

열의 결과로써, 온도라는 숫자를 내올수있습니다. 온도로는 섭씨와 켈빈이 있으며, 절대영도는 0켈빈(K)입니다. 섭씨 온도는 켈빈과 273합입니다.

열이 입자에 전달되면, 입자는 더욱 활발한 운동을 하게 됩니다.

열의 이동

열의 전파라고 하기도 합니다. 종류로 전도, 대류, 복사가 있습니다.

열의 이동을 간단하며 정확히 생각하기 위해 예를 들겠습니다.

유체 A의 입자들에 대해서 온도에 대한 평면 스칼라장을 생성할때, 입자들이 어떻게 되었던 스칼라장에서 그 값이 변한다면 그것이 바로 전파, 혹은 이동입니다.

위 생각대로라면 열의 이동에 대해 전도, 대류, 복사 모두 말이 됩니다.

온도가 다른 두 물체가 있을때 열의 이동으로 인해서 그 계 내에서 열평형을 이루게 됩니다. 즉 같은 온도를 가지게 된다는 것 이죠.

열평형 상태를 이룰때 무조건 서로 얻고 잃은 열량은 같습니다. 그런데, 증감된 온도가 다릅니다. 그 이유는 비열차이 때문입니다. 아래에서 설명합니다.

비열

비열은 물질 1kg에 대하여 온도 1도가 올라가는데 필요한 열량(kcal)입니다. 

c = h/m*dt 으로써 단위는 kcal/(kg * 섭씨) = cal(g * 섭씨) 입니다.

비열은 물질의 특성으로써 양이 변한다고 달라지지 않으나, 식에 따라서 만약 동일한 열량이 주어질때 실제로 증가하는 온도는 질량에 반비례합니다. 

또, 비열이 작을수록 온도 변화가 크다는 것도 유추할 수 있습니다.

응용하여서 cm*dt = h라는 식을 세울 수 있습니다.

열팽창

고체나 유체에 대해서 열을 받아 온도가 올라가거나 하면 운동이 활발해짐에 따라 부피가 증가하는 것을 말합니다.

열수축을 하는 물체도 있는데, 각기 다른 이유에서 있습니다.

열평형 온도 구하기

비열이 1kcal/(1kg*°C)인 물체 A와 비열이 2kcal/(1kg*°C)인 물체 B가 있을때, 그리고 A가 50°C, B가 10°C일때 열평형을 이루는 온도를 구하기 위해서(단, A와 B는 각각 3kg, 4kg이다)는 열평형을 이루는 온도 t를 미지수로 잡고 시작해야합니다.

cm*dt = h일때, 열평형을 이루는 온도는 같고, 또 잃고 얻은 열 또한 같습니다. 그러므로 h의 값은 같으므로,

c1m1*dt1 = c2m2*dt2 이라는 식을 세울 수 있습니다. A가 B보다 온도가 높으니 A의 온도가 감소합니다.(유추할 수 있는 사실입니다.)

1 * 3 * (50 - t) = 2 * 4 * (10 + t) 임으로, 150-3t = 80+8t, 230=11t입니다.

열평형을 이루게 되는 온도는 약 20.9도 입니다.