열량과 비열

위험물 취급자 시험에서는 열, 비열, 열용량에 대한 기본 개념을 이해하는 것이 중요합니다. 이 글에서는 이러한 개념에 대해 자세히 설명하고, 시험 준비에 활용할 수 있는 연습 문제와 해설을 제공합니다.

열량과 온도의 기본 개념

물질이 가열되거나 냉각될 때 관련되는 에너지를 “열량”이라고 합니다. 이 열량을 이해하기 위해서는 칼로리(cal)와 줄(J) 간의 관계, 비열, 절대온도와 섭씨온도 간의 관계, 그리고 열용량에 대해 아는 것이 중요합니다. 특히 “비열”은 물질의 가열 및 냉각 정도를 나타내는 중요한 지표입니다.

칼로리(cal)와 줄(J) 간의 관계

열량을 나타내는 단위로는 칼로리(cal)와 줄(J)이 있습니다. 이들 간의 관계는 다음과 같습니다:

정의: 1 cal = 4.186 J
기준: 1 cal은 1g의 물의 온도를 14.5℃에서 15.5℃로 올리는 데 필요한 열량입니다. 이 정의는 물의 온도 변화를 기준으로 합니다.

비열 (Specific Heat Capacity)

비열은 물질의 가열 및 냉각 속도를 나타내는 중요한 지표입니다.

정의: 비열은 물질 1g의 온도를 1K(1℃) 올리는 데 필요한 열량을 의미합니다. 단위는 J/(g·K) 또는 J/(g·℃)로 표시됩니다.

특성: 비열이 낮은 물질은 적은 열량으로도 온도가 크게 변하며, “빨리 뜨겁고 빨리 식는” 특성이 있습니다. 예를 들어 금속은 비열이 낮아 온도가 급격히 변하기 쉽습니다. 반면에 물과 같은 비열이 큰 물질은 온도가 쉽게 변하지 않습니다.

절대온도(켈빈온도)와 섭씨온도의 관계

온도에는 섭씨온도(℃)와 절대온도(K)가 있으며, 다음의 관계식으로 변환할 수 있습니다:

관계식: K (켈빈온도) = ℃ (섭씨온도) + 273

절대온도는 “절대 영도” (-273℃)를 기준으로 하여 물질의 에너지를 직접 나타내는 지표로 사용됩니다.

열용량 (Thermal Capacity)

물질 전체가 얼마나 많은 열을 저장할 수 있는지를 나타내는 지표로 열용량이 있습니다.

정의: 열용량은 물질 전체의 온도를 1℃(또는 1K) 올리는 데 필요한 열량입니다.

계산식: 열용량 = 비열 × 질량

특성: 열용량이 큰 물질은 온도가 쉽게 올라가지 않으며, 쉽게 식지 않는 특성이 있습니다. 예를 들어, 물의 열용량이 커서 바다나 호수의 온도가 급격히 변하지 않는 이유가 됩니다.

연습 문제 예제 1

해설:(4) 체적 팽창률은 온도 상승에 따라 물질의 체적이 얼마나 팽창하는지를 나타내는 지표로, 일반적으로 고체가 가장 작고 기체가 가장 큽니다. 액체의 체적 팽창률은 고체보다 크지만 기체보다는 작기 때문에 틀렸습니다. 올바른 설명은 “고체가 가장 작고, 기체가 가장 큽니다.”

정답: (4)

연습 문제 예제 2

해설: 비열은 다음 식으로 구할 수 있습니다:

비열 = 열량 (Q) ÷ (질량 (m) × 온도 변화 (ΔT))

여기서,
열량 Q = 2500 J, 질량 m = 200 g, 온도 변화 ΔT = 60℃ – 50℃ = 10℃.

계산:
비열 = 2500 J ÷ (200 g × 10℃) = 2500 ÷ 2000 = 0.50 J/(g·K)

정답: (5)

결론

비열은 물질이 쉽게 가열되거나 냉각되는 정도를 나타내는 중요한 지표로, 위험물 취급자 시험에서 자주 출제되는 주제입니다. 시험 준비를 위해 비열, 열용량, 열전도 등 기본 개념을 철저히 이해하여 온도 변화에 관한 문제에 대비하세요.