비열, 열용량, 열량의 개념과 열의 측정 방법

화학반응이 진행될 때 흡열반응과 발열반응과 같이 열의 출입을 동반하게 되는데요, 이때 발생하는 열로 화학반응의 진행을 간접적으로 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 화학반응을 산업적으로 또는 실험실 단위에서의 연구 등 여러 방면으로 이용하기 위해서 열이 얼마나 발생하는지, 그리고 열이 얼마나 흡수가 되는지에 대해 알고 있어야 합니다. 이에 따라 비열, 열용량, 열량의 개념을 정리해 보고 열을 측정하는 방법 역시 확인해 보겠습니다.

 

비열, 열용량, 열량

 

비열 (c, specific heat)

어떠한 물질 1g의 온도를 1℃ 높이기 위해 필요한 열량을 뜻하며, 단위는 J/(g℃)가 됩니다. 혹은 어떠한 물질 1kg의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량으로 Kcal/(kg℃)의 단위를 쓸 수도 있죠. 열량의 단위가 J, cal, Kcal이고, 질량의 단위를 g이나 kg을 사용하는 것입니다. 단위만 정확하게 구분해서 통일해서 사용하면 됩니다. 비열은 물질마다 다르기 때문에 물질을 구별할 수 있는 특징으로 사용할 수 있습니다. 다시 말하면 동일한 물질이면 비열이 같다는 뜻입니다.

 

열용량 (C, heat capacity)

어떤 물질의 온도를 1℃ 높이기 위해 필요한 열량으로 단위는 J/℃입니다. 따라서 위의 비열과 함께 아래와 같은 수식이 성립합니다.

 

열용량(C) =  비열(c) x 질량(m)

C = mc

 

열량 (Q, quantity of heat, calories)

열량은 기본적으로 열을 에너지로 표현한 것으로, 열에너지라고 할 수 있습니다. 단위는 J이나 cal, kcal를 사용합니다. 잘 알고 있다시피 1kcal는 물 1kg의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량이며, 1kca는 1000cal가 되겠죠. 참고로 1kcal는 4184J입니다. (1cal =4.184J) 여기서 열량은 어떠한 물질이 방출하거나 흡수하는 열량은 아래와 같이 그 물질의 비열(c)에 질량과 온도 변화를 곱하면 구해지게 됩니다.

 

열량(Q) = 비열(c) x 질량(m) x 온도변화(ΔT) = 열용량(C) x 온도변화(ΔT)

Q = cmΔT = CΔT

 

 

화학반응에서 방출되거나 흡수되는 열량을 측정하는 방법

 

화학반응이 일어날 때 출입하는 열을 측정하는 장치는 간이열량계(coffee cup calorimeter, simple calorimeter)와 통열량계(bomb calorimeter)가 있습니다.

간이열량계(좌)와 통열량계(우)

 

간이열량계 (coffee cup calorimeter, simple calorimeter)

간이열량계는 위의 이미지에서도 확인할 수 있겠지만, 구조가 간단하여 손쉽게 제작하여 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 다만 단열(insulation)이 잘 되지 않으므로 열손실이 필연적으로 발생할 수밖에 없고 따라서 정밀한 실험에는 한계가 분명하다는 단점도 있는데요, 하지만 중고등학교 교과 과정에서 용해열을 측정하는 실험이나 중화반응에서 발생하는 열량을 측정하는 실험 정도를 하기에는 무리가 없습니다.

열 측정을 위해서는 우선 화학반응에서 흡열 되거나 발열되는 열은 모두 간이열량계 속에 있는 용액의 온도변화에 이용된다고 가정하여야 합니다. 실험장치의 온도가 변화되거나 열량계의 외부로 빠져나가는 열은 없는 것으로 가정하는 것이죠. 따라서 이론적인 실제값과 측정값 사이에 차이가 있다는 점은 감안을 하여야 하고, 아래와 같은 산식으로 실험 결과를 정리하면 됩니다.

 

흡수되거나 방출된 열량(Q) = 용액이 잃거나 얻은 열량(Q) = c x m x ΔT

 

간이열량계로 염화칼슘의 용해열을 측정하는 실험에 대해서는 아래 링크를 참조하면 됩니다.

2023.10.05 - [과학] - 염화칼슘 용해열 측정 실험

염화칼슘 용해열 측정 실험

 

통열량계 (bomb calorimeter)

통열량계는 단열이 잘 되어 있으므로 열손실이 거의 없습니다. 따라서, 간이열량계에 비해서 화학반응 시 출입하는 열량을 비교적 정확하게 측정할 수 있습니다. 특히 연소 반응 시 발생하는 열량을 측정하는데 주로 사용이 됩니다. 측정에 앞서, 화학반응에서 출입하는 열은 모두 통열량계 속에 있는 물과 통열량계의 온도 변화에 사용되었다고 가정을 하고, 아래와 같은 산식으로 실험 결과를 정리하면 됩니다.

 

흡수되거나 방출된 열량(Q) = 물이 얻거나 잃은 열량(Q1) + 통열량계가 얻거나 잃은 열량(Q2)

= c(물) x m(물) x ΔT + C(통열량계) x ΔT