안녕하세요. 오늘은 냉동기, FCU, 에어컨 등 온도의 변화를 주는 냉난방 장비에 많이 사용되는 단위인 열량, 비열, 정압비열(등압비열), 정적비열(등적비열), 열용량에 대해 한 번 알아보려고 합니다. 사실 어디서 한 번씩은 들어보고 배웠던 것 같은데 막상 현장에서 마주하면 헷갈리곤 했었는데, 이번 기회를 통해 한 번 개념과 단위를 정리해 보겠습니다.
1. 열량 (Quantity of Heat, Amount of Heat)
열량의 정의는 말 그대로 "물체가 주고받는 열에너지의 양"이다. 물체가 일을 할 수 있게 하는 능력인 에너지(Energy)는 전기에너지, 열에너지, 빛에너지 등 여러 가지 형태로 나타낼 수 있다. 그중 열에너지는 온도차에 의해 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는데, 이때 온도차에 의해 이동한 열에너지의 양을 열량이라고 하는 것이다. 열량의 식은 다음과 같다.
- Q : 열량 [ kcal ]
- c : 비열(비열용량) [ kcal / kg · ℃ ]
- m : 질량 [ kg ]
- △T : 온도차 [ ℃ ]
2. 비열, 비열용량 (Specific Heat Capacity)
비열(비열용량)은 어떠한 물질 단위 질량을 단위 온도만큼 올리는데 필요한 열량을 의미한다. 말이 조금 어려울 수 있는데 위 열량의 수식에서 언급된 "C"가 바로 비열이다. 따라서 위 수식을 통해 비열을 나타내면 다음과 같다.
- c : 비열(비열용량) [ kcal / kg · ℃ ]
- Q : 열량 [ kcal ]
- m : 질량 [ kg ]
- △T : 온도차 [ ℃ ]
열량(Q)의 수식에서 비열(C)를 좌변에 두고 정리를 하면 위와 같이 수식이 변형되고, Q[kcal]를 m[kg]과 △T[℃]로 나누었기 때문에 단위는 "kcal / kg · ℃"가 되는 것이다. 이것을 그대로 해석하면 "어떤 물질 1kg를 1℃올리는데 필요한 열량"의 의미로 비열을 정의할 수 있게 된다.
그러나 한 가지 더 짚고 넘어갈 것은 질량, 열량, 온도를 여러 가지 단위들로 나타 낼 수 있는 점이다. 따라서 아래 수식들은 모두 비열을 나타내는 것이니 참고하면 된다.
▷ 어떤 물체 1g을 1℃ 올리는데 필요한 열량 cal → [ cal / g · ℃ ]
▷ 어떤 물체 1g을 1K 올리는데 필요한 열량 kJ ? → [ kJ / g · K ]
▷ 어떤 물체 1kg을 1K 올리는데 필요한 열량 kcal → [ kcal / kg · K ]
▷ 어떤 물체 1mol을 1K 올리는데 필요한 열량 kJ → [ kJ / mol · K ]
3. 열용량 (Heat Capacity)
열용량은 어떠한 물질 전체 질량을 단위 온도만큼 올리는데 필요한 열량을 의미한다. 비열(비열용량)과 다른 점은 바로 질량이다. 비열(비열용량)은 "단위질량"에 관한 식이고, 열용량은 "전체질량"에 관한 식이다. 따라서 수식으로 나타내면 다음과 같다.
- C : 열용량 [ kcal / ℃ ]
- Q : 열량 [ kcal ]
- △T : 온도차 [ ℃ ]
4. 정적비열(등적비열)과 정압비열(등압비열)
비열의 종류는 물질의 상태에 따라 크게 정적비열 또는 정압비열로 나뉜다.
1) 정적비열(등적비열) Cv
정적비열(등적비열)은 말 그대로 부피가 일정하게 유지되는 상황에서의 비열을 의미한다. 아래 사진에 왼쪽 정적비열을 나타낸 그림을 보면 밀폐된 용기 안에 어떤 물질이 들어가 있고 그 상태에서 가열이 되고 있다. 이렇게 부피가 변하지 않는 상태(일종의 밀폐계)에서 가열되어 물질의 단위 질량을 단위 온도만큼 올리는 열의 용량을 정적비열(등적비열)이라고 한다.
2) 정압비열(등압비열) Cp
정압비열(등압비열)은 말 그대로 압력이 일정하게 유지되는 상황에서의 비열을 의미한다. 마찬가지로 아래 사진의 오른쪽 그림을 보면 정적비열과 다른 점은 밀폐되지 않은 공간에서 무게추로만 물질을 막아두고 가열을 한다는 것이다. 되면 가열될수록 물질의 부피가 커지고 무게추를 올리게 되고, 이 과정에서 압력 변화 없이 물질의 단위 질량을 단위 온도만큼 올리게 되며 이때의 상황을 정압비열(등압비열)이라고 한다.
위 설명을 통해 정적비열(Cv)와 정압비열(Cp)을 알아보았는데 문득 이런 의문점이 생긴다. "정적비열과, 정압비열 두 조건에서 같은 물질을 똑같이 1℃ 상승시켰을 때 누가 더 많은 열량을 필요로 했을까?"
위 질문의 정답은 바로 정압비열이 정적비열보다 더 많은 열량을 필요로 한다. 그 이유는 사실 간단하다. 정적비열의 조건에서는 밀폐계이기 때문에 받은 열에너지를 그대로 물질의 분자 운동을 활발히 하는 것(물질의 온도를 높이는 것)에만 사용할 수 있다. 그러나 정압비열은 무게추의 압력을 받고 있으므로 받은 열에너지를 물질의 분자 운동 + 무게추를 들어 올리는 것까지 사용해야 하므로 당연히 정압비열이 더 많은 열량을 필요로 하게 되는 것이다. 따라서 정압비열은 항상 정적비열보다 크다는 특징이 있다.
5. 비열비(K)
비열비(K)는 정압비열(Cp)을 정적비열(Cv)로 나눈 비율을 의미한다. 아래 수식으로 나타내면 다음과 같다.
- K : 비열비
- Cp : 정압비열(등압비열) [ kcal / kg · ℃ ]
- Cv : 정적비열(등적비열) [ kcal / kg · ℃ ]
여기서 특이한 점은 비열비는 항상 1보다 크다는 점이다. 그 이유는 위에서 배웠듯이 정압비열이 정적비열보다 항상 크기 때문이다.
이상으로 오늘은 열량, 비열, 열용량, 정압비열(등압비열), 정적비열(등적비열), 비열비에 대해 알아보았습니다. 제가 냉동공학을 공부할 때 많인 느낀 것이 가장 기본이 되는 열량, 비열의 개념과 단위를 제대로 익혀야만 이해가 되는 내용이 많았다는 것입니다. 이번 포스팅을 통해 다시 한번 기초를 다듬어야겠습니다. 다음 시간에는 성적계수 또는 냉동톤의 내용으로 찾아뵙겠습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
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