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열과 온도

온도

춥다·덥다·차다·따뜻하다라는 말을 우리들은 일상 생활에서 자주 사용한다. 이와 같은 물체의 차고 따뜻한 정도를 수량적으로 나타낸 것이 온도이다. 여기에서는 온도의 특성과 특정법에 대해서 살펴보자.

온도의 측정

溫度－測定 온도를 측정하려면 물체의 특별한 상태의 변화와 규칙적인 열 팽창을 이용한다. 보통 사용되는 온도계에는 섭씨 온도 눈금이 표시되어 있다. 이 온도 눈금은 1742년 스웨덴의 물리학자 셀시우스에 의해서 정해진 것으로, 이것을 나타내는데 30도 C라든가 30℃와 같은 C의 기호를 붙인다. 이외에 화씨 온도나 절대 온도가 온도 측정에 사용된다. 섭씨 온도는 다음과 같이 해서 정해지고 있다. 즉, 얼음이 녹는 온도를 0℃로 하고 또 1기압의 대기 속에서 물이 끓는 온도를 100℃로 결정하고, 0℃와 100℃ 사이를 100등분해서 그것을 1℃로 정하고 있다. 화씨 온도는 독일의 물리학자 파렌하이트가 1724년에 고안한 것으로, 이 온도를 나타낼 때는 F의 기호를 붙인다. 화씨 온도에 있어서는 얼음이 녹는 온도를 32℉, 물이 끓는 온도를 212℉로 하고 그 사이를 180등분 해서 1℉로 정하고 있다.

고온과 저온

高溫－低溫 태양의 표면 온도는 약 600℃이며, 그 중심의 온도는 1500만℃나 되는 것으로 추정되고 있다. 또 항성은 스스로 빛을 내는 별이지만, 그 색깔은 별의 표면 온도로 정해진다(빨강→노랑→파랑의 순서). 즉, 무지개색 순서에 따라 온도는 점점 높아진다. 예를 들면 붉게 빛나는 전갈자리의 안타레스의 표면 온도는 약 3000℃, 또 청백색으로 빛나는 큰개자리 시리우스의 표면 온도는 약 1만℃ 이상이다. 미국이 쏘아올린 목성 탐사기인 파이오니어 10호의 조사 결과에 의하면, 목성의 대기 외층부는 약 5000℃로, 태양의 광구와 같은 수준의 고온이라는 것이 밝혀졌다. 도시 가스·프로판 가스·수소 등의 기체를 태우면 불꽃이 생기는데, 이 불꽃의 온도는 약 1000℃ 이상이 된다. 불꽃의 온도는 그 부분에 따라서 다른데, 공기를 충분히 공급하며 태웠을 때는 불꽃 바깥의 윗부분이 가장 고온이 된다. 고온 프라즈마 헬륨이나 네온 등 가스의 흐름을 아크 방전 속에 불어넣으면 기체 분자는 원자핵과 전자로 분해되어서 가스는 프라즈마라는 상태가 되어 약 1만 5000℃의 고온이 된다. 미래의 에너지원으로서 주목받고 있는 핵융합 반응은 10℃ 이상의 고온 프라즈마를 0.1-10초 동안 계속해서 발생시킬 필요가 있다. 그 방법으로는, 고온 프라즈마를 강한 자기 속에 가두는 방법, 강력한 레이저 광선을 이용하는 방법 등 갖가지 시도를 행하고 있다. 다음에는 저온의 예를 살펴보자. 얼음에 식염이나 염화칼슘 등을 첨가하면, －20℃에서 －50℃ 정도의 저온을 얻을 수 있다. 이와 같이 저온으로 하기 위해서 만든 것을 한제라고 한다. 이산화탄소를 높은 압력으로 봄베에 채워 넣어 액화시키고, 이것을 공기 속에 갑자기 분출시키면 눈과 같은 흰 가루가 나온다. 이것은 이산화탄소의 고체인데, 드라이아이스라고 불린다. 드라이아이스는 약 －80℃의 저온으로, 한제로서 이용되고 있다. 액체가 기체로 변할 때 액체에서 많은 열이 빼앗긴다. 이 열을 기화열이라고 한다. 프레온이나 암모니아의 기체를 압축해서 액체로 바꾸고 이것을 갑자기 압력이 낮은 곳으로 분출시키면 액체는 기체로 바뀐다. 이때 기화열을 빼앗아 주위의 온도가 내려간다. 이와 같은 방법으로 －10℃ 정도의 저온이 얻어진다. 전기 냉장고는 이 원리를 이용하고 있다. 기체를 갑자기 팽창시키면 그 기체의 온도가 내려간다. 이것을 단열 팽창이라고 부른다. 단열 팽창을 여러 번 반복하면 기체의 온도는 점점 내려가서 마침내는 액체가 된다. 예를 들어, 액체 공기는 이와 같은 방법으로 만들어진다. 1908년, 네덜란드의 물리학자 자메를링오네스는 이와 같은 방법으로 헬륨의 액화에 성공하여 4K 정도의 극저온을 실현시켰다. 액체 헬륨을 갑자기 기화시키면 약 1K 정도의 극저온이 얻어진다. 다시 액체 헬륨 속에 적당한 물질을 넣고 그것을 강한 자계로 융화시킨 다음 갑자기 자계를 제거하면, 0.003K 정도의 극저온이 나타난다. 이 방법을 단열 소자라고 한다. 물질을 여러 번 K의 극저온으로 유지하면 상온에서는 숨겨져 있는 그 물질이 본성이 나타난다. 이와 같이 해서 물질의 성질을 조사하는 것을 극저온 물리학이라고 부르며, 현대 물리학의 한 주류를 이루고 있다.

열평형

熱平衡 뜨거워진 주전자 속의 물을 식히려면 주전자를 차가운 찬물 속에 담가 놓으면 된다. 이때 뜨거웠던 물의 온도가 내려가는 동시에 주위의 물 온도도 올라간다. 이것은 주전자의 뜨거운 물이 주위의 물에 옮겨져서 주전자 속의 물은 식고 주위의 물은 따뜻해진다고 생각할 수가 있다. 일반적으로 고온의 물체와 저온의 물체를 접촉시키면 고온의 물체에서 저온의 물체에 열이 이동한다. 그리고 고온의 물체는 온도가 내려가고 저온의 물체는 온도가 올라간다. 이와 같은 열의 이동을 열전도라고 한다. 뜨거워진 주전자를 물 속에 담가두면 주전자의 물은 식고 주위의 물은 따뜻해지며, 시간이 지나면 주전자의 물과 주위의 물은 온도가 같아진다. 이렇게 해서 열의 이동이 끝난다. 이와 같이 두 개의 물체가 있고, 그것들의 온도가 같으며, 두 물체 사이에 열의 이동이 없을 때 이 두 물체는 열평형 상태에 있다고 한다. 역학에서는 물체가 정지하고 있을 때 그 물체는 평형 상태에 있다고 한다. 열의 경우도 마찬가지로 열이 정지하고 있을 때 열평형이 되어 있는 것이다. 온도가 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 양쪽의 온도가 같아지고 열평형이 이루어지려면 어느 정도의 시간이 걸린다. 온도계를 물체에 접촉시켜서 그 물체의 온도를 측정할 때 열평형 상태에 도달하기까지는 온도계의 수은주가 시간과 함께 변화한다. 이 때문에 열평형에 도달하기 전에 온도를 측정해도 정확한 온도의 값을 구할 수 없다. 물체 A가 물체 B와 열평형에 있고, 또 물체 A가 물체 C와 열평형에 있을 때 물체 B와 물체 C는 열평형 상태에 있다. 이것을 세 물체간의 열평형 법칙이라고 한다. 물체 A와 물체 B가 열평형에 있으면 A의 온도와 B의 온도는 같다. 이와 마찬가지로 물체 A와 물체 C가 열평형에 있으면 A의 온도와 C의 온도는 같다. 따라서 A와 B가 열평형, A와 C가 열평형 상태이면 B의 온도와 C의 온도는 같으며, 물체 B와 물체 C는 열평형 상태가 된다. 이와 같이, 세 물체간의 열평형 법칙은 당연한 것을 말한 것 같다. 그러나 진보된 이론에 의하면 이 법칙을 바탕으로 해서 온도라는 것의 의미가 수학적으로 엄밀하게 해석되는 것이다.

열과 열량

고온의 물체와 저온의 물체를 접촉시키면, 고온의 물체는 차가워지고 저온의 물체는 따뜻해진다. 이때 고온의 물체에서 저온의 물체로 열이 이동한다고 말한다. 일반적으로 물체의 온도를 바꾸는 원인이 되는 것을 열이라 하고 그것을 수량적으로 나타낸 것을 열량이라고 한다.

열량의 단위

熱量－單位 주전자에 물을 넣어 가열하면 물의 온도는 올라간다. 이것은 물에 열이 가해지기 때문에 물의 온도가 높아지는 것이다. 냉장고에 물체를 넣어두면 그 물체의 온도는 내려간다. 이것은 물체가 열을 잃은 결과 낮은 온도가 되기 때문이다. 이와 같이 열이 가해지거나 잃으면 물체의 온도는 오르고 내림을 알 수 있다. 시험관 속의 소량의 물은 알코올 램프에도 금새 온도가 오르지만 비커 속의 다량의 물은 버너로 가열해도 좀처럼 온도가 올라가지 않는다. 이것은 소량의 물을 데우려면 열이 적어도 되지만, 많은 양의 물을 데울 때에는 많은 열을 필요로 한다는 것을 의미한다. 이와 같이, 열에서는 많다던가 적다던가 하는 것이 중요한 의미를 갖는다. 이와 같은 양을 열량이라고 한다. 열량을 재는 단위로서는 칼로리(㎈)가 사용된다. 질량 1g의 물의 온도를 1K만큼 올리는데 필요한 열량을 1㎈라고 한다. 그러나 온도에 따라서 1K만큼 올리는 데 필요한 열량을 아주 적기는 하지만 차이가 있으므로 정확하게는 물 1g을 14.5℃에서 15.5℃까지 1K만을 상승시키는 데 필요한 열량을 1㎈로 정하고 있다. 1㎈의 1000배, 즉 물 1㎏의 온도를 1K만큼 올리는 데 필요한 열량은 1킬로칼로리(1㎉) 또는 대칼로리(㎈)라고 한다.

열용량

熱容量 어떤 물체의 온도를 1K만큼 올리는 데 필요한 열량을 그 물체의 열용량이라고 한다. 예를 들면, 물 200g의 열용량은 물 100g의 열용량의 2배이다. 특히 1g의 물질의 열용량은 그 물질의 비열이라고 한다. 즉 1g의 물질의 온도를 1K만큼 올리는 데 필요한 열량이 그 물질의 비열이다. 열용량은 질량에 비례하므로 어떤 물체의 비열을 알고 있으면, 일반적으로 열용량은 (열용량)=(질량)×(비열)이라는 관계에 의해서 계산할 수 있다. 또 물체를 어떤 온도까지 상승시키는 데 필요한 열량은 그 온도의 크기에 비례한다. 예를 들면, 온도를 5K까지 올리는 데 필요한 열량은 1K만큼 올리는데 필요한 열량의 5배가 된다. 따라서 일반적으로 어떤 질량의 물체를 어떤 온도만큼 올리는 데 필요한 열량은, (열량)=(질량)×(비열)×(온도차)의 관계로 주어진다. 같은 물체가 어떤 온도만큼 낮아졌을 때 상실된 열량도 위의 관계로 계산할 수 있다. 온도가 다른 두 물체를 접촉시켜서 열평형 상태가 되었을 때 고온의 물체의 상실된 열량은 저온의 물체가 얻은 열량과 같다. 이것은 열량 보존의 법칙이라고 한다.

비열

比熱 비열은 물질의 종류에 따라서 결정되는 상수이며, 밀도라든가 저항률 등과 같이 물질의 성질을 서술하는 데 중요한 물리량이다. 1g의 물의 온도를 1K만큼 올리는 데 필요한 열량은 1㎈이므로 물의 비열은 1이 된다. 그러나 비열은 단순한 숫자가 아니라 단위를 갖는 양이다. 1g을 1K 올리는 데 필요한 칼로리수가 비열이므로 비열의 단위는 ㎈/g·k이다. 따라서 정확하게 말하면 물의 비열은 1㎈/g·k가 된다. 예를 들어 구리의 비열은 0.091㎈/g·k이므로 15g의 구리로 된 물체의 온도를 100k 올리는 데 필요한 열량은 15×0.091×100≒137(cal)가 된다.

액체의 열팽창

액체는 고체와는 달리 일정한 모양이 없기 때문에 액체의 열팽창인 경우에는 체적 팽창만이 생각된다. 액체의 팽창계수는 고체의 경우와 동일하게 정의된다. 즉, 액체의 온도를 1K만큼 높였을 때에 체적이 팽창하는 비율이 그 액체의 팽창 계수이다. 액체의 체적 팽창 계수를 자세히 조사해 보면 온도에 따라서 조금씩 다른 값을 갖고 있다. 보통은 20℃의 값을 나타낸다. 또한, 알코올 온도계나 수은 온도계는 이들 액체의 규칙적인 체적 팽창을 이용한 것이다.

물의 열팽창

水－熱膨脹 액체의 온도를 올리면 그 체적은 팽창한다. 그러나 물만은 특별해서 0℃에서 4℃까지는 온도를 올리면 체적이 작아지는 성질이 있다. 그러나 4℃ 이상은 보통의 액체와 같이 온도의 상승과 함께 체적도 증가한다. 체적이 변해도 질량에는 변화가 없으므로 물은 4℃일 때 밀도가 가장 크다.

상태의 변화

물을 가열하면 수증기가 되고, 냉각시키면 얼음이 된다. 이와 같이 물질에 열을 가하면 액체가 기체가 되기도 하고 고체가 액체로 변하기도 한다. 반대로 물체에서 열을 빼앗으면 액체가 고체가 되거나 기체가 액체로 변하기도 한다. 이와 같이 열이 들어가고 나감에 따라서 물질의 상태에는 변화가 생긴다. 일반적으로 물질의 상태에 대해 상(相)이라고 부른다. 물질이 기체·액체·고체인 것에 따라서 기상·액상·고상이라고 불린다. 또 상의 변화를 상이전 혹은 상변화라고 한다. 액체(액상)가 기체(기상)로 되는 현상은 상이전의 한 예이다.

녹음과 녹는점

0℃ 이하의 얼음을 비커 속에 넣고 일정한 비율로 가열하면 얼음이 온도가 올라간다. 얼음이 온도가 0℃가 되면 얼음은 녹기 시작하며 얼음의 일부가 물이 된다. 이와 같이 고체가 녹아서 액체로 되는 현상을 녹음, 혹은 융해라고 한다. 얼음이 녹고 있는 동안은 물과 얼음은 함께 존재하고 있으며, 온도도 0℃의 상태를 유지하고 있다. 이와 같이 고체가 녹고 있는 동안은 외부에서 열을 가해도 온도는 일정하게 유지된다. 이 일정한 온도를 녹는점 또는 융점이라고 한다. 녹는점은 물질의 양과는 관계가 없는, 그 물질의 고유한 성질이다. 따라서 녹는점은 물질의 특성이라고 말할 수 있다. 단 녹는점은 고체에 작용하는 압력의 크기에 의존한다. 보통은 1기압에서의 값으로 표시된다.

융해열

溶解熱 얼음이 녹기 시작해서 다 녹을 때까지는 외부에서 가하는 열은 온도를 올리기 위해서가 아니라 고체를 액체로 바꾸기 위해서도 사용된다. 즉, 고체를 액체로 바꾸려면 열량이 필요하다. 고체 1g을 같은 온도의 액체로 바꾸기 위해 필요한 열량을 융해열이라고 한다.

응고

凝固 액체를 식혀서 열을 빼앗으면 그 온도는 내려간다. 어떤 온도에 도달하면 액체가 굳어지기 시작해서 액체의 일부가 고체가 된다. 이와 같이 액체의 일부가 고체로 되는 것을 응고라고 한다. 응고는 녹음의 정반대 현상이다. 액체가 응고하고 있는 동안은 아무리 열을 빼앗아도 전체가 다 응고할 때까지 일정한 온도가 유지된다. 이 온도를 응고점이라고 한다. 같은 압력에서는 같은 물질의 응고점과 녹는점은 같다. 예를 들면 1기압일 때, 물의 응고점은 얼음의 녹는점과 동등해서 같이 0℃이다. 응고점에서 1g의 액체가 같은 온도의 고체가 되기 위해서 방출하는 열량은 그 물질의 응고열이라고 한다. 같은 물질, 같은 압력에서 응고열은 융해열과 같다. 즉, 어떤 고체에 융해열을 주면 그것은 전부 액체가 되지만, 융해열과 동일한 열량을 액체에서 빼앗으면 액체는 전부 고체가 된다.

기화와 액화

끓음(비등)과 끓는점(비점)

沸騰－沸點 물을 비커에 넣어서 가열하면 물의 온도는 올라간다. 온도가 100℃에 달하면 물은 펄펄 끓어서 수증기를 발생한다. 이와 같이 액체가 기체로 변하는 것을 기화라고 하고, 또 액체가 끓는 현상을 비등이라고 한다. 일반적으로 액체를 가열하면 어떤 일정한 온도에서 끓는다. 이 끓을 때의 온도를 끓는점(비점)이라고 한다. 끓는점도 녹는점과 마찬가지로 물질 특유의 성질로, 물질이 갖는 특성의 하나이다.

끓는점과 기압

沸點－氣壓 액체의 끓는점은 대기의 압력과 관계가 있다. 액체의 온도가 끓는점에 도달하지 않았을 때에도 그 액체의 표면에는 기화가 일어나고 있다. 이것이 증발이다. 기화된 기체는 온도에 의해서 정해지는 어떤 압력을 갖는다. 이 압력을 포화 증기압이라고 한다. 포화 증기압은 온도가 끓는점보다 낮으면 대기의 압력보다 작다. 따라서 이 경우는, 가령 액체의 내부에 기포가 발생했다 하더라도 그것은 대기압 때문에 터지고 만다. 그러나 온도가 끓는점에 도달하면 포화 증기압은 대기압과 같아져서 액체의 내부에 기포가 생기면서 기화가 왕성해진다. 이것이 비등(끓음)이다.

기화열

氣化熱 어떤 물질의 끓는점에서는 그 물질의 액체와 기체가 함께 존재할 수가 있어서 열은 가한 경우 액체가 전부 기체가 되기까지는 온도가 일정치, 즉 끓는점의 값에 유지된다. 이때 가해지는 열은 온도를 올리기 위해서가 아니라 액체를 기체로 바꾸는 데에 사용된다. 일반적으로 1g의 액체를 같은 온도의 기체로 바꾸는 데에 필요한 열량을 그 액체의 기화열이라고 한다. 예를 들면, 물의 기화열은 540㎈/g이다.

액화

液化 기체가 액체로 되는 현상을 액화라고 한다. 기체를 액체로 하기 위해서는 기체를 냉각시켜 이것에서 열을 빼앗지 않으면 안 된다. 예를 들면 100℃의 수증기 1g을 생각했을 때 이것에서 기화열과 같은 540㎈의 열량을 빼앗으면 수증기는 전부 물이 된다. 이와 같이 끓는점의 상태에 있는 기체에서 기화열과 동등한 만큼의 열량을 빼앗으면 전부 액체가 된다.

열전도

열이 고온 부분에서 저온 부분으로, 중간 물질을 통해서 이동하는 것을 열전도라고 한다.

열전도의 실험

熱傳導－實驗 같은 굵기의 철과 구리 철사의 한쪽을 꼬아서 붙이고 거기에서 4㎝ 정도의 간격으로 파라핀을 사용해서 성냥개비를 세운다. 철사의 다른 쪽을 나무 토막에 고정시킨 다음 꼬아 붙인 부분을 알코올 램프로 가열한다. 시간이 지나감에 따라 불길에 가까운 쪽부터 파라핀은 녹고 성냥개비가 차례대로 떨어지기 시작한다. 이것은 열이 고온 부분에서 저온 부분으로 철사를 통하여 이동하는 것을 나타내고 있다. 또한 구리 쪽의 성냥개비가 남아 있다. 이 결과로 볼 때 구리는 철보다 열전도율이 높다는 것을 알 수 있다.

열의 양도체·불량도체

熱－良導體·不良導體 열전도의 정도는 물질에 따라서 다르다. 철이나 구리 등의 금속은 대체로 열을 잘 전달한다. 이와 같이 열을 잘 전달하는 물질을 열의 양도체라고 한다. 이와는 반대로 목제·고무·공기·물 등은 열의 전달이 잘 안 되는 물질이다. 이와 같은 물질을 열의 불량도체라고 한다. 열의 양도체·불량도체는 일상 생활에서도 여러 곳에 이용되고 있다. 예를 들면, 냄비나 솥처럼 열을 잘 전할 필요가 있는 경우에는 열의 양도체가 사용된다. 이와 반대로, 냄비의 손잡이나 벽 내부에 넣는 단열재 등과 같이 열을 전할 필요가 없는 경우에는 열의 불량도체가 사용된다.

대류

물의 가열

水－加熱 시험관에 물을 반쯤 넣고 밑바닥쪽을 고정시킨 채 물의 윗부분만을 가열하면 윗쪽의 물이 끓는다. 그러나 바닥 쪽은 가열되지 않아서 그대로 차갑다. 만약 시험관 대신 구리 막대를 사용해서 같은 실험을 하면, 윗부분만 가열해도 아랫 부분은 손으로 잡을 수 없을 만큼 뜨거워진다. 이 두 현상의 차이는 물이 구리에 비해서 열의 전달이 좋지 않기 때문이다. 구리와 물의 열전도율을 비교하면 구리의 열전도율은 물의 약 1000배이다. 반대로 말하면 물은 구리의 약 100분의 1밖에 열은 전달하지 않는 것이 된다. 따라서 열전도만으로 시험관 속의 물을 가열하기는 매우 어렵다. 그러나 시험관의 물도 밑바닥에서 가열하면 전체가 고르게 더워지고, 이윽고 끓게 된다.

대류의 실험

對流－實驗 물이 더워지는 과정을 조사하기 위해서 다음과 같은 시험을 해보자. 될 수 있는 대로 큰 플라스크에 물을 넣고, 물의 움직임을 보기 위해서 과망간산칼륨의 낱알을 바닥에 떨어뜨려 놓는다. 플라스크를 바닥에서 가열하면 색깔이 나타난 물이 줄기처럼 올라가는 모양을 볼 수 있다. 이 줄기는 수면에 도달한 다음 주위에 퍼져서 바닥 쪽으로 내려간다. 즉, 플라스크 중앙부의 물은 상승하고 주변부에서는 바닥쪽으로 하강하는 흐름이 만들어진다. 이와 같은 현상을 대류라고 한다. 물의 이러한 대류는 물 속에 톱밥이나 알루미늄의 분말 등 고운 입자를 넣으면 쉽게 관찰이 된다. 위의 실험 결과는 다음과 같이 이해할 수 있다. 물이 들어 있는 용기의 바닥 부분을 가열하면 그 밑부분의 물은 열팽창 때문에 밀도가 감소되어 차가운 물보다 가벼워져서 상승한다. 그렇게 되면 주위의 차가운 물이 그 자리로 흘러들어가고, 이 물이 가열되어 또 상승한다. 이러한 과정을 되풀이해서 물 전체의 온도가 점점 높아지는 것이다.

공기의 대류

空氣－對流 공기도 물과 마찬가지로 열의 불량도체이다. 따라서 공기 속을 열전도에 의해서 열이 이동하는 일은 드물다. 오히려 공기의 경우는 물과 마찬가지로 대류에 의해서 열이 이동한다. 공기가 가열되어 온도가 올라가면 물보다는 열팽창이 잘되므로 차가운 공기보다 밀도가 작아져서 상승 기류가 생긴다. 이 현상은 촛불 옆에서 따뜻해진 공기와 함께 연기가 상승하는 것을 보아도 알 수 있다. 공기의 대류를 보다 자세히 알기 위해서는 다음과 같은 실험을 하면 좋다. 유리로 된 네모진 어항 바닥에 불을 붙인 선향을 넣고 뚜껑을 덮는다. 선향의 연기는 수직으로 계속 올라가는데 이것은 선향의 불로 따뜻해진 공기가 가벼워져서 상승하여 그것이 연기를 함께 운반하기 때문이다. 상승한 공기와 연기는 뚜껑을 따라서 퍼지고 다시 벽을 따라서 하강한다. 그리고 바닥에 닿거나 혹은 그 전에 안쪽으로 들어간다. 이와 같은 실험으로 공기의 대류를 관찰할 수 있다.

열의 대류

熱－對流 열이 물체를 통해서 이동하는 것이 아니라 따뜻해진 유체(액체나 기체)의 흐름에 의해서 고온 부분에서 저온 부분으로 이동하는 현상을 열의 대류라고 한다. 열전도와는 달라서 대류는 열이 운동하는 유체를 따라서 이동한다. 이런 점이 열 대류의 특징이다. 지구 전체는 두꺼운 공기층에 싸여 있다. 물이나 공기는 대기의 열로 따뜻해져서 활발하게 대류를 이루고 있다. 이것들이 해류도 되고 바람이 된다. 이에 의해서 열이 이동하므로 바닷물의 온도와 기온이 지구 위에서 고르게 되어 어떤 곳은 온도가 극도로 높다든다 낮다든가 하는 현상은 없다. 이 때문에 지구는 공기과 물이 없는 달 등에 비하면 훨씬 살기 좋은 환경에 있는 것이다.

자연 대류와 강제 대류

自然對流－强制對流 자연적으로 일어나는 대류를 자연 대류라고 한다. 경우에 따라서는 자연 대류의 상태만으로는 온도를 높이는 데 시간이 걸리거나 온도가 고르게 되지 않을 수도 있다 이때에는 손으로 물을 휘젓거나 선풍기로 바람을 일으켜서 공기를 뒤섞는다. 이와 같이 인공적으로 일으키는 대류를 강제 대류라고 한다.

복사

열의 복사

熱－輻射 사람이 난로에서 불을 쬐고 있을 때 사람과 난로 사이에 판자 등의 차폐물을 놓으면 따뜻한 기운이 감소된다. 난로는 공기의 대류에 의해서 방 전체를 따뜻하게 하지만, 앞의 예에서 알 수 있는 바와 같이 그와 동시에 난로에서 직접 열이 이동해 오기도 한다. 이와 같이 열을 전달하는 매질이 없더라도 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 열이 이동하는 현상을 열의 복사라고 한다. 또한 복사에 의해서 운반되는 열을 복사열이라고 한다. 열의 복사는 우주 공간처럼 거의 진공 상태인 곳에서도 일어난다. 태양의 열이 지구에 도달하는 것은 열의 복사에 의한 것이다. 고온의 물체는 그 온도에 따른 성질의 열복사선을 내고 있어서, 이 열복사선을 쬐면 따뜻하게 느낀다. 열복사선은 눈에는 보이지 않는 적외선이라는 일종의 전자파로서 태양, 이글거리는 숯, 전열기의 니크롬 선이나 사람의 몸에서도 나오고 있다.

열복사선의 성질

熱輻射線－性質 햇볕을 쬐면 따뜻함을 느끼지만 그늘에 들어가면 서늘하게 느낀다. 이런 점에서 태양에서 오는 열복사선은 빛과 같이 직진하는 것임을 알 수 있다. 열복사선은 또한 빛과 같이 렌즈에 의해서 굴절된다. 이 현상을 간단히 보려면, 돋보기와 같은 볼록 렌즈로 태양의 실상을 검은 종이 위에 만들면 된다. 태양 광선을 렌즈에 굴절시키면 상(像) 부분에 열복사선이 집중한다. 이 때문에 상 부분이 열을 받아 검은 종이에서 연기가 나온다. 또한 상 부분에 손을 대면 매우 뜨겁게 느껴진다. 망원경으로 태양을 관측할 때에는 반드시 선글라스를 사용하여 열선을 직접 눈에 받지 않도록 해야 한다. 만약 망원경으로 태양을 직접 보면 열복사선 때문에 눈이 상하게 된다. 또한 열복사선은 빛과 같이 거울에 의해서 반사된다. 이것은 다음과 같은 실험으로 알 수 있다. 태양 광선을 거울로 반사시키고 이 반사광에 대해서 위와 같이 볼록 렌즈로 태양의 실상을 만들어본다. 이 경우에도 실상 쪽에 있는 검은 종이에서 열기가 나오고, 또 그곳에 손을 대면 뜨겁게 느껴진다. 결국 태양 광선에서 직접 실상을 만들었을 때와 똑같은 결과가 된다. 만약 거울이 빛만을 반사하고 열복사선이 거울을 지나쳐버린다면 이와 같은 현상은 일어나지 않을 것이다. 따라서 열복사선도 거울에서 반사되는 것이라고 생각할 수 있다. 이와 같이 열복사선은 직진·굴절·반사 등의 현상을 보이며, 빛과 같은 성질을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.

열의 흡수

熱－吸收 물체가 열복사선을 받았을 때 그 열복사선을 흡수하는 상태는 물체 표면의 성질에 따라서 달라진다. 예를 들면, 태양 광선을 볼록 렌즈로 모아서 하얀 종이와 검은 종이 위에 실상을 만들었을 때 하얀 종이는 좀체로 타지 않지만 검은 종이는 바로 탄다. 또 두 개의 삼각 플라스크를 준비하고, 하나는 검게 칠하고 다른 하나는 은박지를 바른다. 이 두 플라스크에 온도계를 붙이고 두 플라스크에 같은 열복사선을 쬐어서 온도가 상승하는 것을 살펴본다. 그러면, 검게 칠한 플라스크 쪽이 온도의 상승이 크다는 것을 알 수 있다. 이러한 실험 결과로 검은 물체는 열복사선을 잘 흡수하지만 흰 물체는 열을 잘 흡수하지 않는다는 것을 알게 된다. 또 물체의 표면이 금속과 같이 매끄러우면 열을 별로 흡수하지 않고 열이 그냥 지나가거나 반사한다.

열과 일

열과 일은 밀접한 관계를 가지고 있다. 단, 여기서 말하는 일이란 역학에서의 일을 뜻한다. 여기서는 열과 일의 관계에 대해 살펴보자.

열에서 일에의 변환

熱－變換 마찰이 없는 실런더 속에 일정량의 기체를 넣어 밀폐하고 이 기체에 열을 가한다. 그러면 기체는 열팽창하므로 피스톤이 움직여서 외부에 대해 역학적인 일을 한다. 자동차의 엔진, 증기 기관은 이와 같은 일을 이용한 것이다. 실런더의 단면적을 S라 하고 또 기체는 외압 P와 균형을 이루면서 피스톤 Δℓ의 거리만큼 이동했다고 하자. 압력은 단위 면적당 작용하는 힘이기 때문에 피스톤에 작용하는 힘의 크기 F는 F=PS가 된다. 그러므로 기체가 열팽창에 의해서 외부에 한 일 W는 W=FΔl=PSΔl=P ΔV 이다. 여기서 ΔV는 체적의 증가량이다.

일에서 열에의 변환

熱－變換 마찰이 있는 평면 위에서 물체를 움직이려면 마찰에 거역하여 외부에서 힘을 가해야만 한다. 물체가 어떤 거리만큼 움직이는 동안에 이 힘은 일을 한다. 그 결과 물체와 평면이 접촉하고 있는 부분의 온도가 올라가 열이 발생한 것을 알 수 있다. 이것은 외부에서 가한 일이 열로 변했기 때문이다.

줄의 실험

－實驗 이상의 예로 알 수 있듯이 열은 일로 변하고, 반대로 일은 열로 변한다. 따라서 열과 일은 완전히 별개의 것이 아니라 같은 것을 다른 형태로 보고 있다고 생각된다. 이 때문에 어떤 일정량의 열은 어떤 일정량의 일에 상당하며, 반대로 어떤 일정량의 일은 어떤 일정량의 열에 상당한다고 생각된다. 이러한 관계를 수량적으로 연구한 이가 영국의 물리학자 줄이다. 줄은 그림과 같은 장치를 사용해서 1㎈의 열량이 몇 줄의 일에 상당하는가를 측정했다. 먼저 핸들을 돌려서 추를 끌어올리고, 어느 정도 끌어올렸을 때 손을 놓는다. 추가 중력 때문에 낙하하면 도르래를 통해서 열량계 속에 물에 잠긴 회전 날개가 회전한다. 이 때문에 물이 휘저어지는데, 추를 어느 거리만 낙하시켜서 정지하게 하면 물의 운동은 차츰 조용해진다. 이에 따라서 열이 발생하여 물의 온도가 올라간다. 추가 낙하한 거리를 자로 재면 추가 한 일의 양을 알 수 있다. 한편 물의 온도 상승을 온도계로 재면 발생한 열량을 알 수 있고, 그 결과 일과 열과의 양적인 관계가 얻어진다. 줄은 이와 같은 실험을 되풀이해서 1㎈의 열이 4.19J의 일에 상당하고 있다는 것을 발견했다.

열역학의 제1법칙

내부 에너지

內部 energy 운동하고 있는 물체는 운동 에너지를 갖는다. 또한 중력을 받고 있는 물체는 중심(重心)의 위치 에너지를 갖는다. 한편, 어떤 물체나 원자나 분자로 성립되어 있어서, 이것들은 물체의 내부에서 운동하거나 서로 힘을 미치고 있기 때문에 물체 내부에 역학적 에너지가 축적되어 있다. 이 에너지를 내부 에너지라고 한다. 예를 들면, 용기 속에 들어 있는 일정량의 기체를 생각해 보자. 0℃, 1기압의 기체 1㎤ 속에는 2.7×1019개의 기체 분자가 포함되어 있다. 따라서 보통 기체라고 생각하는 것 중에는 매우 많은 기체 분자중 어떤 분자는 빨리 달리고 어떤 분자는 느리게 달릴 것이다. 또한 분자는 용기의 벽에 부딪치면 튕겨져 돌아온다. 이와 같은 분자의 운동을 열운동이라고 한다. 기체에 열을 가하면 그 온도가 올라간다. 이것은 가해진 열 때문에 기체 분자의 열운동이 활발해져서 기체의 내부 에너지가 증가하기 때문이다. 액체나 고체는 기체와는 달라서 원자·분자의 위치 에너지는 작지 않으므로 이것과 원·분자의 운동 에너지를 더한 것이 내부 에너지가 된다. 고체가 액체가 되고 액체가 기체가 되거나 할 때 상태의 변화가 계속되고 있는 동안은 온도는 변하지 않는다. 따라서 원자·분자의 운동 에너지는 변화하지 않지만 가해진 열은 원자·분자의 위치 에너지를 증가시키는 데에 사용된다고 생각하고 있다. 이와 같은 내부 에너지 개념을 사용하면, 열은 특별한 것이 아니라 원자는 분자의 역학적 에너지에 지나지 않는다는 것을 알 수 있다. 이 때문에 열현상을 역학적 입장에서 취급하는 것이 가능하며, 이것을 열역학이라고 한다.

열역학의 제1법칙

熱力學－第一法則 열은 원자·분자의 역학적 에너지이므로 일종의 에너지이다. 이것을 열 에너지라고 한다. 일반적으로, 어떤 체계에 외부로부터 어떤 에너지가 가해지면 그만큼 체계의 에너지가 증가한다. 이와 같이, 물체에 열을 가하면 그 물체의 내부 에너지가 가해진 열 에너지만큼 증가한다. 또한 물체에 역학적인 일이 더해져도 역시 내부 에너지는 더해진 일의 양만큼 증가한다. 따라서 물체에 열과 일이 동시에 가해졌을 때 물체의 내부 에너지는 가해진 열과 일의 양만큼 증가한다. 이것을 열역학의 제1법칙이라고 한다.

열기관과 그 효율

열기관

熱機關 열을 역학적인 일로 바꾸는 장치를 열기관, 또는 엔진이라고 한다. 증기 기관·가솔린 엔진·디젤 엔진·로켓 엔진 등은 열기관이다. 이것들은 자동차·디젤차·화력 발전·비행기 등의 동력원으로서 널리 이용되고 있다. 열기관에서는 가솔린 등의 연료를 태워서 열을 발생시켜 고온의 기체를 만들고 그 기체의 팽창을 사용해서 열을 일로 바꾸고 있다. 열역학의 제2법칙에 의하면, 열을 모두 일로 바꾸기는 불가능하다. 따라서 열기관의 외부로부터 받은 열량을 Q1로 하고, 그 열량의 일부 Q가 역학적인 일로 변했다고 한다면 Q는 Q1보다 항상 작다. 그리고 남은 열량 Q1－Q는 주위의 저온 부분에 방출되고 만다.

증기 기관

蒸氣機關 인간이 최초로 실용화에 성공한 열기관은 증기 기관이다. 수증기가 갖고 있는 압력을 이용해서 엔진을 만들고자 하는 시도는 18세기 무렵부터 있었으나 와트는 1782년에 실용적인 증기 기관을 만드는 데 성공했다. 증기 기관에서는 증유나 석탄을 태워서 나오는 열을 이용하여 고온·고압의 수증기를 만든다. 그리하여 수증기의 열에너지를 사용하여 실린더의 내부에서 피스톤을 운동시켜 열을 역학적인 일로 바꾸고 있다. 증기 기관차는 지난날 철도의 스타였으나 효율이 나쁘고 매연을 뿜어내기 때문에 철도의 전력화, 디젤화의 발전에 따라 차츰 모습이 사라지고 있다.

가솔린 엔진

gasoline engine 가솔린을 이용하는 가솔린 엔진은 증기 기관보다 효율이 좋고 또 사용하기 쉬워서 자동차 등에 사용되고 있다. 이 엔진의 원리는 다음과 같다. 먼저, 실린더 속에서 공기와 가솔린의 혼합 가스를 피스톤에 의해서 압축한다. 이 혼합 가스를 점화 플러그의 불꽃으로 폭발시켜 그 힘으로 피스톤을 움직인다. 따라서, 흡기·압축·폭발·배기 등 4가지 과정에 따라 열에너지를 역학적인 일로 바꾼다. 이와 같은 엔진을 4사이클 엔진이라고도 한다. 4사이클 엔진에 있어서는 피스톤의 4가지 과정에 의해서 크랭크 축이 2회전하고 엔진은 처음의 상태로 되돌아간다. 오토바이 등에 사용되는 간단한 가솔린 엔진의 경우에는 2사이클 엔진에 이용되기도 한다. 이 엔진에서는, 크랭크 축의 1회전으로 팽창·배기·흡기와 압축·점화의 두 과정이 이루어지고 있다.

디젤 엔진

diesel engine 선박·버스·트럭·디젤 차 등에 사용되는 디젤 엔진에 있어서는 실린더 속에서 경유를 태워서 그때 발생하는 열에너지를 역학적인 일로 바꾼다. 디젤 엔진은 실린더 속에서 피스톤으로 공기를 20-40기압, 500-600℃ 정도가 될 때까지 압축시킨 다음, 이 압축된 고압·고온의 공기에 연료를 흡입한 후 폭발시켜서 그 힘으로 피스톤을 움직이게 한다. 디젤 엔진은 1897년에 독일인 디젤에 의해 발명되었다.

제트 엔진

zet engine 비행기의 동력으로서 제2차 세계대전까지는 가솔린을 사용하며, 그것으로 프로펠라를 돌리는 왕복 기관엔진이 보통이었다. 그러나 프로펠라에 의한 추진으로는 스피드에 제한이 있어 불가능했다. 그래서 제2차 세계대전 이후부터 제트 엔진을 사용하게 되었다. 현재는 소형 비행기 등의 저속 비행기 외에는 군용이나 여객기 등 대부분이 제트 엔진으로 되어 있다. 제트 엔진은 연료를 태워서 고온·고압의 기체를 만들고, 그것을 후방으로 분출시켜 그 반작용으로 추진력을 얻고 있다. 즉, 공기를 압축기로 압축해서 고온·고압으로 하고, 이것에 연료를 뿜어서 폭발시키고 그 연소 가스를 분출시켜서 추진력을 얻는다. 따라서 제트 엔진에 있어서는 기체의 열에너지를 직접 기체의 운동 에너지로 바꾸고 있다.

로켓 엔진

rocket engine 로켓 엔진은 제2차 세계대전 중 독일의 V1호, V2호 등의 군사 목적용으로 실용화되었다. 그 후, 인공 위성의 발사, 달로의 인간 여행, 혹성의 탐사, 혹은 대륙간 탄도탄 등에 로켓 동력으로서 사용되고 있다. 로켓 엔진은, 공기의 공급을 받지 않고 고속 기체를 분출하여 그 반작용으로 추진력을 얻는 장치이다. 한쪽만이 열린 통 속에서 고체 연료(화약) 또는 액체 연료(알코올과 액체 산소 등)를 연소시켜서 고속 기체를 만드는 방법이 주로 사용되고 있다. 로켓 엔진은, 기체의 열에너지를 직접 기체의 운동 에너지로 바꾸고 있다. 따라서 그 원리는 제트 엔진을 장착한 비행기는 공기가 있는 곳에서만 날지만 로켓은 공기를 필요로 하지 않으므로 진공 속에서도 날 수가 있다.