열과 온도

온도와 함께 변하는 물리량

 

열적 현상의 정량적 수치인 온도는 다음과 같이 정의한다.

- 온도(temperature): 온도 눈금에 근거한 뜨거움 또는 차가움의 정도(scale)

- 단위: 켈빈[K] (SI 단위)

- 실생활 단위로는 섭씨 온도 또는 화씨 온도를 사용한다.

- 기호: T

 

열적 현상은 온도의 변화를 반드시 수반하는데, 이를 정량적으로 관측할 수 있게 하는 물리량은 크게 다음과 같다.

1. 금속 막대의 길이(length of a steel rod)

2. 증기압(vapor pressure)

3. 전선의 전도능력(conductivity)

4. 달궈진 물체의 색깔(colour)

 

 

선팽창 Linear Expansion

선팽창: 섭씨 100도씨의 변화 내(內), 온도 변화가 크지 않는 조건에서 증가한 길이는 늘어난 온도에 비례한다.

Linear expansion means change in one dimension as opposed to change in volume.

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Linear Expansion

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- 온도 변화량은 켈빈 온도차 또는 섭씨 온도차를 모두 쓸 수 있는데, 이 둘의 온도차가 서로 같기 때문이다.

- 길이는 일반적으로 [m]단위를 쓴다.

 

선팽창계수(coefficient of linear expansion): 물질의 열팽창에 대한 성질을 기술하는 계수로 물질마다 값이 다르다.

- 단위: [K^-1] (역 켈빈온도)

 

열을 받으면 고체 사이의 진동 진폭이 커지고, 진폭이 커질 때 분자 간의 평균 거리가 증가한다. 원자 사이의 거리가 멀어지면서 모든 방향의 길이가 증가한다.

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그림 1. Objects, in general, expand in all directions as temperature increases. The expanded boundaries are shown with dashed lines. [출처: University Physics Vol2, Openstax, 2016]

 

증기압 Vapor Pressure

vapor pressure: 어떤 닫힌 계에서 액체와 기체가 동적인 평형 상태를 이룰 때, 그 액체의 증기가 나타내는 부분압

- vapor pressure 정의에서 동적평형상태란, 액체가 기체로 기화하는 속도와 기체가 액체로 액화하는 속도가 서로 동일한 상태를 의미한다.

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그림 2. 동적평형상태

- 처음에는 증발만 하다, 시간이 경과하면서 증기로 존재하는 분자수가 증가하게 된다. 충분히 긴 시간이 경과하면, 증발 속도와 응축 속도가 같아지는데, 이때 증기 기체의 부분 압력을 증기압이라고 한다.

- 기준 온도에서 어떤 물질의 끓는 점이 기준 온도보다 높으면 그 물질은 항상 액체 상태여야 한다. 하지만 증발 현상에 의해 일부는 기체 상태로 존재하는 데 이때의 증발된 기체를 '증기'라고 한다. ⇒ 상온은 25도씨로 물은 끓는점이 100도씨이나 증발현상에 의해 대기에는 '수증기'가 존재한다.

 

※ 증기압의 결정인자

① 온도가 상승할수록 액체 분자의 운동에너지가 커져 액체 분자들 중 다른 분자와의 인력을 극복하고 증발할 수 있는 분자수가 증가한다. → 기체로 존재할 수 있는 분자수의 확률적 증가로 증기압은 커진다.

② 분자 간의 힘(응집력): 액체 분자 간에 응집력이 클수록 액체 표면에서 증발할 수 있는 분자의 실제 증발이 어렵다.

③ 비휘발성 용질의 증가: 비휘발성 용질이 많을 수록 이들은 증발이 일어나는 액체 표면적을 더 많이 차지하여, 따라서 증발할 수 있는 용매가 표면으로부터 가려지게 된다. ⇒ 증기압 내림현상

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그림 3. 증기압 곡선 [출처: Oxtoby Principles of Modern Chemistry, 7th ed.]

 

열평형 Thermal Equilibrium

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열평형이란, 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 열이 이동하여, 최종적으로 두 물체의 온도가

같아진 상태이다. 두 계의 온도가 같을 경우, 두 계는 열적으로 평형한 상태(열적평형상태)에 있다고 한다.

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열(heat): (열)에너지, 온도차에 의해 이동하는 에너지이나, 물체가 가진 특정한 형태의 에너지가 아님에 유의한다.

- 열은 물체를 통해 이동하며, 열의 이동성에 따라 물체를 분류할 수 있다.

· 전도체(electrical conductor): 열이 잘 통하는 물체로 각종 금속이 이에 속한다. 정량적인 conductor의 열 전달수치는 열전도율(thermal conductivity)로 나타난다.

· 비전도체(절연체, 단열재, non-electrical conductor, heat insulator): 나무나 스티로폼, 유리섬유처럼 열을 거의 통하지 않는 물체로 열에너지의 전달이 낮을수록 이상적인 단열재로 취급된다.

 

온도계와 열역학 제0법칙 Thermometer and Zeroth Law of Thermodynamics

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온도계(thermometer)는 온도나 온도 기울기(temperature gradient)를 재는 장치로 thermal equilibrium의 원리를 이용한다.

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그림 4. Simple Demonstration of a Thermometer

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그림 5. 열역학 제0법칙의 도식

계 C가 계 A와 계 B 모두와 각각 열평형을 이룬다면, 계 A와 계 B도 서로 열평형이다.

단, A와 B는 단열재로 인해 열에너지의 이동이 완전히 차단되었다.

 

If a body C, be in thermal equilibrium with two other bodies, A and B, then A and B are

in thermal equilibrium with one another(Buchdahl, H. A., 1966).

Zeroth Law of Thermodynamics

온도계의 종류

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그림 6. 온도 측정을 위한 다양한 도구 (a) 수은 온도계 / (b) Six Squares on the Liquid Crystal Thermometer / (c) 파이로미터(Pyrometer) [출처: University Physics Vol2, Openstax, 2016]

1. 수은온도계(mercury-in-glass thermometer): 프로이센의 물리학자 파렌하이트(Daniel G. Fahrenheit, 1686-1736)가 발명(1714)한 온도계

- 온도에 따라 부피가 급격히 변하는 수은금속의 특성을 활용

- 수은금속 기둥의 부피는 온도가 올라감에 따라 상승함.

 

2. 등적기체온도계: 주위의 온도가 올라감에 따라 기체의 증발현상이 활발해져 vapor pressure 또한 비례하여 증가하는 원리를 활용한 온도계. 일정한 부피용기에서 온도가 올라감에 따라 vapor pressure 또한 비례하여 증가한다.

 

3. 바이메탈온도계

- 바이메탈(bimetal): 두 금속을 서로 마주보게 붙인 금속체

- bimetal을 일정한 면적으로 가열하면 열팽창이 큰 금속이 작은 쪽보다 더욱 팽창하게 된다. 팽창한 금속판이 다른 재질의 금속판을 구부리고, 이러한 성질을 계기표시에 활용한다.

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그림 7. bimetal의 특성 [출처: University Physics Vol2, Openstax, 2016]

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그림 8. 바이메탈온도계의 원리 [출처: Libretexts]

 

4. 저항온도계(resistance thermometer): 온도에 따라 전류의 저항 값이 달라지는데, 일반적으로 온도가 높아질수록 금속의 저항이 커진다.