[열역학 개념의 해설] 열용량

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제9장 '열용량' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다.

 

9. 열용량

18세기 이전까지만 해도 온도와 열량에 대한 구분이 없었는데요. 이때는 물질들의 질량과 온도가 같으면, 그 물질들이 가지고 있는 열량이 같다고 생각하였답니다.

 

그런데 플렌하이트라는 과학자가 차가운 물과 뜨거운 물을 혼합했을 때의 온도와 차가운 물과 뜨거운 수은을 혼합했을 때의 온도가 다르다는 것을 관찰하여, 질량과 온도가 같더라도 물질이 가지고 있는 열량, 에너지가 다르다는 것을 밝혀냈어요.

 

그 후, 18세기에 조세프 블랙이라는 과학자에 의해 열용량이라는 단어가 처음 사용되었는데요. 이때까지만 해도 열소이론이 지배적이었기 때문에, 물질이 얼마나 많은 열소를 포함할 수 있는지에 대한 개념으로 열용량이라는 단어가 사용되었답니다. 따라서 사실 열용량이라는 단어 자체가 모순되지만, 현재까지도 계속 사용되어 오고 있답니다.

 

오늘날의 열용량은 물질이 에너지를 보유할 수 있는 능력을 나타내는 물질의 고유 성질로 정의되는 돼요. 수학적으로는 다음과 같이 물질의 단위 질량, 단위 온도를 올리는데 필요한 열량으로 정의할 수 있고, 이를 이용하여 열용량을 직접 실험하여 측정할 수도 있답니다. 열용량을 수학적 식으로 표현하면 아래와 같습니다. 

 

• C = Q / △T

 

여기서 C는 열용량, Q는 열량, △T는 온도 변화량을 나타내요. 

 

그럼 같은 물질의 열용량은 언제나 같은 값을 가질까요? 답은 '아니요' 이지요. 열용량은 물질의 고유 성질이기 때문에 물질의 상태(온도, 압력)에 따라서 그 값이 변한답니다. 예를 들면 똑같은 질량의 10℃ 물과 30℃의 물을 1℃ 올리는데 필요한 열량이 다르다는 것입니다. 그렇지만 모든 물질, 모든 상태(온도, 압력)의 열용량을 실험적으로 측정하는 것은 한계가 있는데요. 이 때문에 열용량을 온도에 대한 근사식으로 나타낸이상기체의 열용량이 정의되어 사용되기도 한답니다.

 

또한 열용량은 물질에 열이 전달되는 방식에 따라서도 그 값이 다르게 측정이 되는데요. 예를 들어 등용 과정이 등압 과정보다 똑같은 열을 전달받아도, 온도가 더 많이 상승하는 것을 알 수 있습니다. 즉 등용 과정보다는 등압 과정의 열용량이 더 큰 것이지요. (Cp > Cv) 

 

이러한 열용량은 실험적으로 측정이 가능한 물질의 고유 성질이라는 데도 중요한 의미가 있는데요. 앞장에서 등용 과정에서 Q = △U, 등압 과정에서 Q = △H 인 것을 확인했었는데요. 이를 열용량의 정의와 결합하면 등용 과정에서는 △U = C x △T, 등압 과정에서는 △H = C x △T 가 되어, 내부 에너지와 엔탈피의 변화량을 측정이 가능한 온도와 열용량을 통해 계산할 수 있답니다. 즉 열용량은 개념적 물리량인 내부에너지와 엔탈피를 구체적인 수치로 바꿔주는 매개 역할을 하는데 큰 의미가 있는 것이지요.

 

또한 상변화 할 때에는 온도가 변하지 않기 때문에, 열용량이 무한대로 되는데요. 이러한 사실을 이용하여 물질의 안정성 판단을 하는 기준으로 열용량이 사용되기도 한답니다.

 

정리하면, 열용량이란 에너지를 보유할 수 있는 능력을 나타내는 물질의 고유 성질이며, 상태에 따라 열이 공급되는 방법에 따라 그 값이 바뀌기도 하며, 엔탈피와 내부 에너지와 같은 개념적인 물리량을 계산하는 데 사용될 수 있는 중요한 개념입니다.

 

그럼 열용량에 대한 포스팅을 마치겠습니다.