비열(specific heat)과 열용량(heat capacity)

비열(specific heat)

 

비열(Specific heat)에 대한 사전적 정의는 다음과 같다.

'어떤 물질의 1g에 대하여 온도를 1℃만큼 올리는데 필요한 열량'

 

즉, 비열이란 어떠한 물질 1g 질량에 대해 1℃ 온도를 높이는데 드는 열에너지(*cal)를 의미한다.

 

* Calorie (cal)

- 칼로리란 물질의 온도를 높이는 데 소요되는 열 에너지의 양

- 1 cal = 4.184 J

 

재료의 비열

 

 

여기서 물의 비열은 1cal/g·°C 이라고 표현된다. (= 4.184 J/g·℃ = 4.184 J/g·K )

 

덧붙이자면 물의 비열은 온도에 따라 달라지기 때문에,

정확히는 "1기압 하에서 14.5°C의 물 1 g을 15.5°C까지 올리는 데 필요한 열에너지(cal)" 을 의미한다.

 

아래의 표와 같이 온도가 변함에 따라 비열값도 변하게 된다.

 

즉, 비열은 온도의 함수이다.

 

물의 온도별 비열 (google)

 

 

언급된 물의 비열을 사용한 예시를 들어보자.

 

0℃의 물 20g을 100℃ 물 20g으로 만드는 데 필요한 열량은 얼마가 필요할까?

 

해당 결과는 비열과 열용량 공식으로 아래와 같이 계산이 가능하다.

 

' 열량 = 물질의 비열 x 물질의 질량 x 온도변화량 '

 

→ Q(열량) = 1cal/g·°C x 20g x (100-0)℃ = 2,000 cal

 

0℃의 물 20g을 100℃ 물 20g으로 만드는 데는 2,000 cal의 열에너지가 필요하다.

 

여기서 열용량에 대한 정의는 무엇이고 비열과의 차이는 무엇인가?

 

 

열용량(heat capacity)

 

열용량(heat capacity)에 대한 정의는 '어떤 물체를 1℃ 높이는 데 필요한 열량' 이다.

 

비열과 차이점은 '열용량은 그 물질 전체질량에 대해 1℃를 높이기 위해 필요한 열에너지(cal)' 이다.

 

열용량은 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있다.

 

Q = c·m·△t    (Q = 열량, c = 물질의 비열, m = 물질의 질량, △t = 온도변화량)

 

즉, 열용량은 질량에 비례하며,

단위질량인 1g 당 열용량은 각 물질 고유의 값으로 나타내는데 이를 '비열'이라고 재표현할 수 있다.

 

즉, Q = c·m·△t 식에서 해당 물체의 질량 m으로 나눈다면, 해당값이 그 물질의 비열이다.

 

열용량에 따른 에너지 차이

 

어떠한 재료가 빨리데워지고 빨리 식는 것은 열확산도(thermal diffusivity)와 관계가 있다.

 

열확산도는 아래와 같은 수식으로 정의내릴 수 있다.

 

열확산도(a) = 열전도도(k) / (밀도(p) * 비열(c_p))

 

 

열확산도(a) 공식

 

 

즉, 열확산도(a)가 높은 물질은 열전도도(k)가 높거나 비열(cp)이 낮은 물질이다.