[열역학] 비열과 비열비 이해하기 (정적비열, 정압비열)

비열은 초등학교 때 배우는 내용인데요. 시간이 지나도 항상 헷갈리는 개념입니다. 오늘은 비열에 대해 제대로 알아보겠습니다.

 

비열이란?

1. 열량(Q)

- 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동한 열의 양

- 단위 : kcal, cal, J

- 1kcal : 물 1kg의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량

 

2. 비열(c)

- 어떤 물질 1kg의 온도를 1℃ 높이는 필요한 열량(kcal)

- 단위 : kcal/kg · ℃

- 물질에 따라 온도가 변하는 정도가 다르다.

 

3. Q(열량) = cm(비열 x 질량 x 온도변화)

 

4. 정적비열, 정압비열

- 정적비열 : 일정한 부피 상태로 측정한 비열

- 정압비열 : 일정한 압력 상태로 측정한 비열

 

- 고체와 액체의 경우 비압축성(압력을 가하여도 부피가 줄지 않는 성질) 물질이기 때문에 두 비열값의 차이가 거의 없으며, 또 열을 가할 때 일정한 부피를 유지하도록 만들기 어렵기 때문에 정압비열을 그 물체의 비열로 한다.  

 

- 이상기체 : 이상기체 방정식 Pv = RT(P는 기체의 압력, v는 1 몰당 비체적, R은 일반기체상수, T는 절대온도), 보일-샤를의 법칙이라고도 하는 상태방적식을 따른다. 실제로 존재하는 모든 기체는 높은 온도와 충분한 저압에서 이상기체에 가깝다.

 

- 보일의 법칙 : 온도가 일정하면, 압력(P)과 부피(V)는 서로 반비례한다.

- 샤를의 법칙 : 일정한 압력에서, 기체의 온도와 부피가 비례한다.

 

4. 열역학 법칙

- 열역학 제0법칙: 만약 두개의 계가 다른 세 번째 계와 열적평형상태에 있으면 이 두개의 계는 반드시 서로에 대해 열적 평형상태이어야 한다는 것이다. 이 법칙은 온도를 정의하는 하나의 방법이다.

 

- 열역학 제1법칙: 고립된 계의 에너지는 일정하다는 것이다. 에너지는 다른 것으로 전환될 수 있지만 생성되거나 파괴될 수는 없다. 열역학적 의미로는 내부에너지의 변화가 공급된 열에 일을 빼준 값과 동일하다는 말이다. 이 법칙은 제1종 영구기관이 불가능함을 보인다.

 

- 열역학 제2법칙: 만약 어떤 고립계의 엔트로피가 열적평형상태에 있지 않다면 엔트로피는 계속 증가해야 한다는 법칙이다. 닫힌계는 점차 열적평형상태에 도달하도록 변화한다.(즉 엔트로피를 최대화하기 위해 계속 변화한다.) 이 법칙은 제2종 영구기관이 불가능함을 보인다.

 

- 열역학 제3법칙: 온도가 0로 접근하면, 계의 엔트로피가 일정한 값을 가진다는 법칙이다.

 

5. 비열비

기체 분자들의 정압비열(Cp)과 정적비열(Cv)의 비를 비열비()라고 하며, 비열비로 나타낸다. 비열비는 기체의 종류에 따라 다르다.

 

기체의 부피를 일정하게 유지하면서 측정한 정적비열과 압력을 일정하게 유지하면서 측정한 정압비열 사이에는 Cp = Cv + R의 관계가 성립하므로 정압비열이 정적비열보다 기체상수 R만큼 더 크고, 비열비는 1보다 큰 값을 갖는다. 이상기체인 경우 기체상수 R=8.316kJ/kmol K이다.

 

단원자 이상 기체의 비열비는 비열비 본문 이미지 3 이다. 정적비열이 크다는 것은 자체적으로 에너지를 많이 축적 할 수 있음을 의미하므로 연소 때 발생되는 열량 중 많은 부분이 내부에너지 증가에 사용된다. 반대로 정압비열이 크다는 것은 외부로의 일을 하는데 열량을 더 많이 사용함을 의미한다. 따라서 비열비가 크다는 것은 동일 발열량당 외부에 하는 일이 많음을 의미한다.

 

6. 엔탈피와 내부에너지 

- 내부에너지 : 계의 질량 중심에 대해 정지해 있는 기준계에서 볼 때 미시적 요소(원자, 분자)와 관련된 계의 모든 에너지 열역학 제 1법칙의 관점에서 볼 때 에너지의 절대적 값은 큰 의미를 갖지 않습니다.  그 보다는 에너지 변화에 대한 차이값이 실재적인 물리적 의미를 가지며, 실험에 의해서 측정되는 값도 바로 이 값입니다.

 

따라서 어떤 임의의 기준 상태에 있는 시스템의 에너지를 "0"으로 가정하고, 어떤 다른 상태에 있는 시스템의 상대적 에너지를 사용하는 것이 매우 편리합니다.  바로 이 상대적 에너지의 값을 내부에너지(internal energy)라고 부르며, U로 표기하는 것이 일반화 되어 있습니다.

 

- 엔탈피 : 시스템의 압력이 일정한 상태에서 시스템에 출입한 열량은 그 시스템의 엔탈피 변화와 같습니다.  따라서 일정 압력 하에서(특히 대기압 하에서) 어떤 시스템의 반응열(heat of reaction)과 융합열(heat of fusion)은 각각 반응 엔탈피와 융합 엔탈피와 동일한 의미로 사용됩니다.  

일반적으로 열역학적 작업은 대기압 하에서 이루어지는 경우가 많으므로 엔팔피가 열량의 의미를 대체하는 경우가 많습니다.

 

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