열의 이동과 상태 변화 · HeatLab

온도계 사용법

실험실에서 흔히 쓰는 액체 온도계는 액체의 열팽창과 수축을 이용합니다. 액체 저장소의 액체가 데워지면 팽창해 가는 관을 따라 올라갑니다.

사용법: ① 먼저 측정 범위와 최소 눈금을 확인한다; ② 액체 저장소를 측정할 액체에 완전히 잠기게 하고, 용기 바닥이나 벽에 닿지 않게 한다; ③ 넣은 뒤 잠시 기다려 눈금이 멈추면 읽는다; ④ 읽을 때도 액체 저장소는 액체에 둔 채, 눈높이를 액체 기둥의 끝과 같게 한다.

액체 저장소를 비커 바닥에 닿게 하거나(바닥은 핫플레이트 위라 물보다 뜨겁다) 액체 밖으로 꺼내 보세요. 위에서, 아래에서 읽으면 값이 커질까요, 작아질까요?

섭씨온도

온도는 물체가 얼마나 차갑고 뜨거운지를 나타냅니다. 흔히 쓰는 단위는 섭씨도(°C)입니다.

섭씨온도는 1기압에서 얼음물의 온도를 0 °C, 끓는 물의 온도를 100 °C로 정하고, 그 사이를 100등분한 한 칸을 1 °C로 합니다.

온도계를 세 비커에 차례로 넣어 액체 기둥이 어디서 멈추는지 보세요. 0 °C보다 낮은 온도는 ‘영하’로 읽습니다. 예를 들어 −5 °C는 ‘영하 5도’입니다.

녹음과 응고

물질이 고체에서 액체로 되는 것을 융해(녹음), 액체에서 고체로 되는 것을 응고라고 합니다.

하이포(싸이오황산 나트륨)가 든 시험관을 뜨거운 물에 담가 가열하고(중탕: 고르게, 천천히 데워짐) 일정한 시간마다 온도를 기록하면 오른쪽에 온도–시간 그래프가 그려집니다.

하이포는 녹는 동안 온도가 48 °C로 변하지 않습니다. 이 온도를 녹는점이라 하고, 시험관 안에는 고체와 액체가 함께 있습니다. 다 녹은 뒤에야 온도가 다시 오릅니다. 파라핀은 정해진 녹는점이 없어서, 물러지고 묽어지면서 온도가 계속 오릅니다.

정해진 녹는점이 있는 고체를 결정, 없는 고체를 비결정이라고 합니다. 융해는 열을 흡수하고 응고는 열을 방출합니다. 같은 결정의 어는점은 녹는점과 같습니다. ‘가열 멈추기’를 눌러 응고 과정을 보세요.

물의 끓음

끓음은 액체의 내부와 표면에서 동시에 일어나는 격렬한 기화입니다.

가열하면서 기포를 관찰하세요. 끓기 전에는 바닥에서 생긴 기포가 올라가면서 점점 작아집니다(위쪽 물이 차가워 기포 속 수증기가 다시 액화). 끓을 때는 많은 기포가 올라가면서 커지고 수면에서 터집니다.

액체가 끓을 때의 온도를 끓는점이라고 합니다. 끓는 동안 계속 열을 흡수하지만 온도는 변하지 않습니다. 열원을 치우면(‘가열 멈추기’) 끓음은 곧 멈춥니다.

끓는점은 기압에 따라 달라서, 기압이 높을수록 끓는점도 높습니다. 고산 지대는 기압이 낮아 물이 100 °C보다 낮은 온도에서 끓어 밥이 잘 익지 않고, 압력솥 안에서는 끓는점이 120 °C 정도까지 올라갑니다.

증발과 액화

물질이 액체에서 기체로 되는 것을 기화라 하고, 증발과 끓음 두 가지 방식이 있습니다. 증발은 액체 표면에서만 일어나며 어떤 온도에서도 일어납니다.

온도계 하나의 액체 저장소를 알코올 묻힌 솜으로 감싸면, 알코올이 증발하면서 액체 저장소에서 열을 빼앗아 눈금이 내려갑니다. 알코올이 다 증발하면 눈금은 천천히 실온으로 돌아옵니다.

증발을 빠르게 하는 조건: 액체의 온도가 높을수록, 표면적이 넓을수록, 표면 위 공기의 흐름이 빠를수록. 부채질을 하면 시원한 것은 땀의 증발이 빨라지기 때문입니다.

물질이 기체에서 액체로 되는 것을 액화라 하며, 열을 방출합니다. 끓는 물 위에 차가운 유리판을 대면 수증기가 식어 작은 물방울이 됩니다. 주전자 입구의 ‘김’도 수증기가 아니라 수증기가 액화한 작은 물방울입니다.

승화

물질이 고체에서 바로 기체로 되는 것과 기체에서 바로 고체로 되는 것을 모두 승화라고 합니다. 고체→기체 승화는 열을 흡수하고, 기체→고체 승화는 열을 방출합니다.

아이오딘 알갱이가 조금 밀봉된 아이오딘 관을 뜨거운 물에 넣으면 알갱이가 줄어들고 관 안이 보라색 아이오딘 기체로 찹니다. 꺼내서 식히면 아이오딘 기체가 유리 안쪽에서 작은 결정으로 승화합니다.

왜 중탕일까요? 아이오딘의 녹는점은 약 114 °C이고 뜨거운 물은 100 °C를 넘지 않으므로 아이오딘이 녹지 않습니다. 보이는 보라색 기체는 승화로만 생긴 것입니다. ‘직접 가열’로 바꾸면 녹는점을 넘어 아이오딘이 먼저 녹아 액체가 된 뒤 기화하므로 승화를 보여 주지 못합니다.

생활 속 예: 나프탈렌이 작아지고 겨울에 언 빨래가 마르는 것은 고체→기체 승화, 서리·상고대·유리창의 성에는 기체→고체 승화입니다.

물질에 따른 열을 받아들이는 능력 비교

똑같은 전기 히터 두 개로 질량이 같은 물과 등유를 각각 가열합니다. 같은 시간 동안 두 물질이 받는 열량은 같습니다(변인 통제).

오른쪽 온도–시간 그래프에서 등유는 빨리, 물은 천천히 온도가 오릅니다. 같은 온도만큼 올리려면 물을 더 오래 가열해 더 많은 열을 줘야 합니다. 물이 열을 더 잘 저장하는 것입니다.

이 성질을 비열로 나타냅니다. 물질이 받은 열량을 질량과 올라간 온도의 곱으로 나눈 값입니다. 물의 비열은 4.2×10³ J/(kg·°C), 등유는 약 2.1×10³ J/(kg·°C), 모래는 약 0.92×10³ J/(kg·°C)입니다.

Q = c m Δt

그래서 해안 지역은 낮과 밤의 기온 차가 작고 내륙 사막은 크며, 자동차 엔진은 물로 식힙니다.

전도

열이 물체 안에서 온도가 높은 부분에서 낮은 부분으로 전해지는 것을 전도라고 합니다.

굵기와 길이가 같은 구리·알루미늄·철·유리 막대의 한쪽 끝을 같은 열원에 넣고, 막대에는 촛농으로 일정한 간격마다 성냥을 붙여 둡니다. 열이 막대를 따라 전해지면 촛농이 녹아 성냥이 차례로 떨어집니다.

구리 막대의 성냥이 가장 빨리, 가장 많이 떨어지고, 알루미늄이 그다음, 철은 느리며, 유리 막대의 성냥은 끝내 떨어지지 않습니다. 금속은 열의 좋은 전도체이고 그중 구리와 알루미늄이 가장 잘 전합니다. 유리·나무·플라스틱·공기는 열을 잘 전하지 못하는 물질입니다.

열화상으로 바꾸면 온도가 막대를 따라 조금씩 전해지는 모습이 보입니다. 뒤집개의 나무 손잡이, 공기를 많이 품은 패딩도 열을 잘 전하지 못하는 물질을 이용한 것입니다.

대류

액체나 기체에서는 따뜻한 부분이 올라가고 차가운 부분이 내려가며 돌면서 온도가 고르게 됩니다. 이런 열의 이동을 대류라고 합니다.

수조 한쪽 바닥을 가열하고 바닥에 과망가니즈산 칼륨 결정을 몇 알 넣으면, 보라색 흐름이 먼저 가열한 쪽에서 올라가 수면에서 반대쪽으로 흐른 뒤 반대쪽에서 내려와 한 바퀴 도는 흐름이 생깁니다.

가열 출력이 클수록 대류가 빠르고, 가열을 멈추면 흐름이 천천히 멈춥니다.

난방기를 창문 아래에, 에어컨을 방 위쪽에 다는 것, 주전자를 바닥에서 데우는 것 모두 대류를 이용한 것입니다.

복사

열이 매질 없이 뜨거운 물체에서 전자기파의 형태로 바로 나가는 것을 복사라고 합니다. 태양의 열도 이렇게 진공을 지나 지구에 옵니다.

스탠드로 같은 양의 물이 든 검은 캔과 흰(반짝이는) 캔을 비추면 검은 캔이 확실히 빨리 데워집니다. 색이 진하고 표면이 거칠수록 복사를 잘 흡수합니다. 불을 끄면 검은 캔이 더 빨리 식습니다. 잘 흡수하는 물체는 잘 방출하기도 합니다.

보온병은 세 가지 열의 이동을 모두 막습니다. 이중 유리 사이를 진공으로 만들어 전도와 대류를 막고, 유리에 은도금을 해 복사를 되돌려 보내며, 마개로 대류와 증발을 줄입니다. 일반 병, 진공 병, 은도금 진공 병에서 뜨거운 물이 식는 빠르기를 비교해 보세요.

얼음에서 끓을 때까지

−20 °C의 잘게 부순 얼음을 핫플레이트에서 계속 가열하면 오른쪽에 온도–시간 곡선 전체가 그려집니다.

① 얼음이 0 °C까지 데워진다; ② 얼음이 녹고 온도는 0 °C에 머문다(얼음은 결정이고 녹는점은 0 °C); ③ 물이 100 °C까지 데워진다; ④ 물이 끓고 온도는 100 °C에 머물며 물이 점점 줄어든다.

두 평평한 구간에서 모두 열을 흡수하지만, 그 열은 온도를 올리는 대신 상태를 바꾸는 데 쓰입니다. 두 구간의 길이를 비교하면, 물 1 kg을 기화시키는 열(약 2.26×10⁶ J)은 얼음 1 kg을 녹이는 열(약 3.34×10⁵ J)의 7배 가까이 됩니다.

가열 출력과 얼음의 처음 온도를 바꾸며 곡선이 어떻게 바뀌는지 보세요.