온도와 열

1. 온도

1. 1) 분자 운동 : 분자가 스스로 움직이는 현상
• · 물체에 열을 가하면 분자 운동이 활발해짐
2. 2) 온도 : 물체의 뜨겁고 차가운 정도를 숫자로 나타낸 것
• · 분자 운동의 활발한 정도를 나타낸 물리량(분자 운동이 활발하면 온도가 높고, 분자 운동이 느릴수록 온도가 낮음)
• · 측정 : 온도계(온도에 따라 액체의 부피가 변하는 성질을 이용한 것)
• · 단위 : 섭씨온도(℃)
• · 섭씨온도 : 1기압에서 물이 어는 온도를 0℃, 물이 끓는 온도를 100℃로 정하고 그 사이를 100등분하여 한 눈금을 1℃로 정한 온도
• · 절대온도 : 물체를 이루는 분자들의 운동 정도를 나타낸 것, 절대 온도 273.15K는 0℃와 같음(절대온도=섭씨온도+273)

2. 온도와 열의 이동

1. 1) 열에너지 : 분자들의 운동에 의한 에너지
• · 열 : 온도가 다른 물질을 접촉했을 때 온도 차이에 의해 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 이동하는 에너지
• · 물체에 열을 가하면 분자들의 에너지가 증가하여 분자 운동이 활발해짐
2. 2) 열평형 상태
• · 열평형 상태 : 온도가 서로 다른 두 물체가 접촉하면 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 열이 이동하여 더 이상 온도 변화 없이 두 물체의 온도가 같아진 상태
• · 열평형 상태가 되면 양방향으로 이동하는 열의 양이 같아져 열이 이동하지 않는 것과 같은 상태가 됨



열평형 그래프
• · 두 물체가 접촉하면 열이 이동하면서 온도가 낮은 물체의 분자 운동은 활발해지고, 온도가 높은 물체의 분자 운동은 느려짐
• · 체온계 : 우리의 몸과 체온계의 열평형 상태를 이용
• · 음료수를 차게 하기 위해 얼음속에 음료수 병을 넣음, 냉장고 속 음식물의 온도가 서로 같아짐
3. 3) 열량 : 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동한 열에너지의 양
• · 단위 : cal(칼로리), kcal(킬로칼로리)
• · 1kcal : 물 1kg의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량

3. 비열과 열용량

1. 1) 비열 : 어떤 물질 1kg의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량
• · 단위 : cal/(g.℃), kcal/(kg.℃)
• · 
• · 물질마다 고유한 값을 가지므로 물질의 특성임
• · 같은 열량을 가할 때, 비열이 큰 물질은 온도 변화가 작고, 비열이 작은 물질은 온도 변화가 큼
• · 물의 비열은 1 kcal/(kg·℃)로 다른 물질에 비해 비열이 큰 편임(낮에 바닷가의 모래가 물보다 뜨거움)
2. 2) 물체의 온도를 올리는데 필요한 열량은 물체의 질량에 클수록 커짐
3. 3) 열용량 : 어떤 물체의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량
• · 물질에 따라, 물체의 질량에 따라 달라짐
• · 단위 : kcal/℃, J/℃
• · 열용량 = 비열 × 질량
• · 물질의 특성이 아님
4. 4) 일상생활에서 이용되고 있는 비열과 열용량
• · 물은 비열이 큼→난방용 보일러나 자동차의 냉각 장치에 이용
• · 고기를 구울 때 열용량이 큰 두꺼운 돌판을 이용
• · 해륙풍은 바닷물과 육지의 비열과 열용량 차이에 의해 발생함



해풍과 육풍

4. 열에 의한 길이와 부피 팽창

1. 1) 열팽창 : 물체가 열을 얻어 팽창하는 현상
• · 온도가 올라가면 물체의 분자 운동이 활발해지면서 분자 사이의 평균 거리가 증가하기 때문
• · 물질의 종류와 물체의 크기에 따라 열을 받았을 때 팽창하는 정도가 달라짐
2. 2) 고체의 열팽창
•  콘크리트 다리 연결부분에 이음새를 둠, 여름철에 전기줄이 늘어지고 겨울철에는 팽팽해짐, 철로 이음새의 틈이 여름철에 좁아지고 겨울철에 벌어짐
• · 물질의 종류에 따라 팽창하는 정도가 서로 다름
• · 바이메탈 : 열팽창 정도가 다른 두 종류의 얇은 금속판을 붙여 만든 것으로, 온도가 높아지면 열팽창 정도가 작은 금속 쪽으로 휘고, 온도가 낮아지면 반대 쪽으로 휘어짐. 전기 다리미, 에어컨, 냉장고 등의 온도를 조절하는 장치기에 사용



바이메탈의 원리
• · 유리병의 금속 뚜껑이 잘 안 열릴 때에는 뚜껑 부분에 뜨거운 물을 흘려준 뒤 열면 쉽게 열림
• · 치아 보철용 재료와 치아, 콘크리트와 철근은 열팽창 정도가 같게 만듦
3. 3) 액체의 열팽창
• · 액체가 열을 얻어 온도가 올라갈수록 열팽창하여 부피가 늘어남
• · 액체의 종류에 따라 팽창하는 정도가 다르며, 고체보다 액체가 팽창하는 정도가 큼
•  알코올 온도계, 수은 온도계

생활 속의 열

1. 전도에 의한 열의 전달

1. 1) 전도 : 물체을 따라 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열이 이동하는 현상
• · 분자들의 운동을 통해 열이 전달됨
• · 고체에서 주로 전도에 의해 열이 이동함
• · 열전도율 : 물질이 전도에 의해 열을 얼마나 잘 전달하는지를 나타내는 것, 물질의 종류에 따라 다르며 비금속보다 금속이 열전도율이 좋음
2. 2) 전도의 이용
• · 주전자나 냄비는 금속으로 만듦
• · 주전자나 냄비의 손잡이는 나무나 플라스틱으로 만듦
• · 오븐에서 빵을 꺼낼 때는 천으로 만든 오븐용 장갑을 사용함

2. 대류와 복사에 의한 열의 전달

1. 1) 대류 : 공기나 물이 순환하면서 열을 전달하는 현상
• · 기체나 액체의 밀도가 온도에 따라 달라지기 때문(가열하여 온도가 높아진 액체나 기체의 부피가 팽창하여 가벼워지면서 위로 올라가고 위쪽의 온도가 낮은 액체나 기체가 아래로 내려오면서 열이 전달됨)
2. 2) 복사 : 물질의 도움없이 열이 직접 이동하는 현상
• · 태양열의 전달, 난로로 손 사이의 복사
• · 물체의 색깔에 따라 물체가 복사 에너지를 받아들이는 정도가 다름(검은색 물체는 복사 에너지를 잘 받아들이고, 흰색 물체는 잘 받아들이지 못함)
3. 3) 지구 온난화
• · 지구는 태양 복사 에너지를 흡수하고 지구 복사 에너지를 우주로 내보냄
• · 흡수하는 태양 복사 에너지와 방출하는 지구 복사 에너지의 양이 같아야 지구 온도가 일정하게 유지됨
• · 대기 중에 이산화 탄소가 많아지면 지구 복사 에너지가 우주로 잘 나가지 못하게 되어 지구의 평균 온도가 올라가는 지구 온난화 현상이 나타나게 됨

3. 열의 효율적인 이용

1. 1) 단열 : 물체와 물체 사이에 열이 이동하는 것을 막는 것
• · 효과적인 단열을 위해서는 전도, 대류, 복사에 의한 열의 이동을 모두 고려해야 함
• · 보온병 : 이중벽, 이중벽 사이의 진공 상태, 표면 도금 등으로 단열 효과를 높임
• · 이중창, 스타이로폼 등을 주택의 단열을 위해 이용
2. 2) 폐열의 이용
• · 폐열 : 효용성이 낮아져 특정한 용도로 사용할 수 없게 된 열
• · 주택, 공장, 사무실, 비닐 온실의 난방용으로 사용
• · 난방용으로 사용한 열이 공기 중으로 흩어져 버리면 다시 사용할 수 없으므로 열에 대한 체계적인 관리가 필요