에너지관리기능사 비열 및 열용량 — 1kg 기준과 물체 전체 기준

비열은 단위 질량을 기준으로 한 값이다. 어떤 물질 1kg의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량이며 단위는 kcal/kg·℃다. 1g을 1℃ 올리는 열량으로 정의하면 단위가 cal/g·℃가 되는데, 기준 질량만 다를 뿐 같은 개념이다. 문제에 1kg과 1℃가 함께 나오면 비열을 묻는 것으로 읽으면 된다.

열용량은 물체 전체를 기준으로 한다. 어떤 물체의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량이며, 열용량=비열×질량으로 구하고 단위는 kcal/℃다. 물의 비열이 1 kcal/kg·℃이므로 물 1kg의 열용량은 1 kcal/℃, 10kg이면 10 kcal/℃가 된다. 질량이 같다면 열용량이 큰 물질의 비열도 크다.

비체적과 밀도는 서로 역수 관계다. 비체적은 질량 1kg이 차지하는 부피로 단위가 m³/kg이고, 밀도는 단위 체적당 질량으로 단위가 kg/m³다. 비체적을 단위 체적당 질량이라고 설명하면 밀도의 정의를 가져다 붙인 것이므로 틀린다. 이름에 붙은 '비'가 질량 기준이라는 뜻을 알려 준다.

열량 계산에서 비열은 질량·온도차와 함께 쓰인다. Q=mcΔT에 질량 1,200kg, 비열 1 kcal/kg·℃, 온도차 90−30=60℃를 넣으면 72,000 kcal가 된다. 비열을 모르고 열량을 아는 경우에는 식을 뒤집어 구한다. 500kg을 20℃에서 50℃로 올리는 데 3,000 kcal가 들었다면 c=3,000÷(500×30)=0.2 kcal/kg·℃다.

현열과 잠열을 함께 계산하는 문제도 있다. 0℃ 물 1kg을 100℃ 증기로 만들려면 먼저 100℃까지 데우는 현열 1×1×100=100 kcal가 들고, 이어서 100℃ 물을 100℃ 증기로 바꾸는 증발잠열 539 kcal가 든다. 두 값을 더해 639 kcal가 된다. 현열만 계산한 100이나 잠열만 계산한 539를 고르면 함정에 빠진다.

상태 변화에 드는 열량의 크기도 비교해야 한다. 물의 증발잠열은 539 kcal/kg, 융해잠열은 80 kcal/kg이고, 얼음의 비열은 0.48 kcal/kg·℃다. 같은 무게라면 온도를 올리는 현열보다 상태를 바꾸는 잠열이 크고, 그중에서도 물이 수증기로 변하는 기화에 가장 많은 열이 든다. 0℃ 얼음을 20℃로 데우는 데는 0.48×20=9.6 kcal, 0℃ 얼음을 0℃ 물로 바꾸는 데는 80 kcal, 0℃ 물을 100℃ 물로 데우는 데는 100 kcal, 100℃ 물을 100℃ 증기로 바꾸는 데는 539 kcal가 든다.

물질마다 비열이 다르다는 점도 판단의 기준이 된다. 물의 비열은 약 1 kcal/kg·℃로 공기의 약 0.24보다 크고, 수소는 비열이 가장 큰 물질로 다룬다. 기체의 비열비는 정압비열을 정적비열로 나눈 값으로 1보다 작아지지 않는다. 열량 단위의 기준도 함께 기억해 두면 좋다. 15℃ 열량은 물 1kg을 14.5℃에서 15.5℃로 올리는 열량이고, 1파운드의 물을 같은 온도 구간에서 올리는 열량은 CHU다.