열

3. 역사

열 현상과 열의 정의는 물에 대한 신화에서부터 열, 연소성 흙(terra pinguis|라틴어로 '살찐 흙'이라는 뜻^la), 플로지스톤, 불공기(fire air, 산소), 열소(칼로릭), 열의 이론, 열의 일당량, 에너지론, 열역학까지 포함한다. 열의 역사의 대부분은 열역학 역사의 선구적인 것이다.

초기 근대 과학자들은 물질이 입자로 구성되어 있다고 보았고, 열과 입자들의 운동 사이의 밀접한 관계를 추측했다. 1620년 영국의 철학자 프랜시스 베이컨(Francis Bacon)은 "열의 본질 자체는... 운동이며 그 밖에 아무것도 아니다." "전체의 운동이 아니라, 물체의 작은 입자들의 운동이다."라고 주장했다. 1623년 천칭(The Assayer)에서 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 열을 우리 마음의 산물로 묘사했다.^[6]

• 열역학 제2법칙에 따라, “열이란 어떤 물체에서 다른 물체로 전달되는 무엇”이다.
• 열을 수학적으로 다루기 위한 “측정값”이 있다.
• 열은 역학적 일과 같이 비물질적인 것으로 변환될 수 있으므로 “열을 물질로 다룰 수 없다”.
• “열은 에너지의 한 형태이다”.

3. 1. 18세기

3. 2. 19세기

3. 3. 20세기

4. 열과 열에너지

열역학 제1법칙에 따르면 닫힌계의 에너지는 보존된다. 따라서 계의 에너지를 변화시키기 위해서는 에너지가 계로부터 다른 계로, 또는 다른 계에서 계로 이동되어야 한다. 계의 질량이 일정할 때, 에너지를 이동시킬 수 있는 방법은 열과 일뿐이다.^[114] 열은 온도의 변화로 인해 발생하는 에너지의 이동이다. 열에 의해 이동되는 에너지의 양을 나타내는 SI단위는 J(줄)이며, Btu(British Thermal Unit) 또는 cal(칼로리)도 때때로 사용된다. 에너지 이동의 비율을 나타내는 단위는 W(와트)이다.^[4]

열의 이동은 경로 함수(상태 함수와 반대되는 개념)이다. 열은 서로 평형상태가 아닌 계들 사이에서 흐르며, 자발적으로 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐른다. 온도가 다른 두 물체가 열적 접촉을 하면 그들은 서로 온도가 동일해질 때까지, 즉 열적평형상태에 이를 때까지 내부에너지를 교환한다.^{[115][116][117]} '뜨겁다'라는 형용사는 물체의 온도를 주위의 온도와 비교하여 나타내는 상대적인 용어로 사용된다. '열'이라는 용어는 에너지의 흐름을 묘사하기 위해 사용된다. 역학적 상호작용이 없을 때에는, 물체로 이동하는 열은 내부에너지의 형태로 물체에 저장된다.^[100]

비열은 물질의 온도를 1도 올리기 위해 계로부터 또는 계로 이동되어야 하는 단위질량당 에너지의 양으로 정의된다. 순수한 물질이 한 상태로부터 다른 상태로 변화할 때에는 온도의 변화 없이 열을 흡수하거나 방출한다.(상태변화) 상태변화하는 동안 열이 이동하는 양은 숨은열 또는 잠열로 알려져 있으며, 이는 물질과 그 상태에 따라 다르다.^[67][68]

'열에너지'라는 용어는 종종 열이라는 용어와 혼동되지만, 둘은 다르다. 열은 에너지의 전달 방식 중의 하나이고, 열에너지는 어떤 계(system)가 가진 내부 에너지를 말한다. 어떤 계에 열이 흐르면(=온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 에너지가 이동하면), 그 계의 열에너지(내부 에너지)는 증가하고, 열 흐름으로 인해 에너지가 이동하면 그 계의 열에너지는 감소한다. 뜨거운 물체는 많은 양의 열에너지를 소유하고 있다고 말할 수 있지만, 많은 양의 열을 소유하고 있다고 말할 수는 없다. 즉 물체는 '에너지'를 가질 수는 있어도, '열'을 가질 수는 없는 것이다. 이러한 점 때문에 물리학에서는 열에너지라는 용어보다는 "내부에너지"라는 용어가 자주 사용되고, 선호된다.^[119]

현대적인 용어로 열은 이동하는 에너지로 간결하게 정의된다. 스코틀랜드 물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 1871년 그의 ''열의 이론(The theory of heat)''에서 "열"의 현대적인 정의를 처음으로 발표하였다. 맥스웰이 제시한 열의 정의는 다음과 같다.

• 열은 열역학 제2법칙에 따라서 "한 물체에서 다른 물체로 이동하는 어떤 것이다."
• 열은 "측정할 수 있는 양"이고, 따라서 다른 측정가능한 양들처럼 수학적으로 취급될 수 있다.
• 그것은 "물질로서 취급될 수 없다." 또한 물질이 아닌 어떤 것(예를 들어 역학적 일)으로 변형될 수 있다.
• 열은 "에너지의 형태 중의 하나이다."^[114]

5. 열전달 메커니즘

열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 경향이 있으며, 열전도, 열대류, 복사의 세 가지 메커니즘을 통해 전달된다.

• 전도: 고체에서 주로 일어나는 열전달 방식이다. 뜨겁고 빠르게 움직이는 원자나 분자가 이웃한 원자나 분자와 상호작용하여 에너지를 전달한다.
• 대류: 액체와 기체에서 주로 일어나는 열전달 방식이다. 온도에 따른 밀도 차이로 인해 유체가 순환하며 열을 전달한다.
• 복사: 매질 없이 전자기파 형태로 열이 전달되는 방식이다. 온도가 높을수록 복사량이 증가한다.

5. 1. 전도

5. 2. 대류

• 자유 대류: 중력과 부력 때문에 유체가 저절로 움직이는 현상이다.
• 강제 대류: 선풍기나 펌프 같은 도구를 써서 유체를 강제로 움직이는 현상이다.

5. 3. 복사

6. 열량

열을 측정한 양을 열량이라고 하며, 일반적으로 사용되는 단위는 칼로리(cal)이다.

열량의 국제단위계(SI)에서 사용하는 단위는 줄(J)이다. 줄은 SI 조합단위 중 하나이며, SI 기본단위인 킬로그램(kg)·미터(m)·초(s)를 사용하여 J = kg⋅m²⋅s⁻² 로 나타낼 수 있다. 또는 힘의 단위인 뉴턴(N)을 사용하여 J = N⋅m으로 나타낼 수도 있다.

국제단위계에는 포함되지 않지만, 전통적인 열량의 단위로 칼로리(cal)와 BTU(Btu)가 있다. 이러한 단위는 역사적으로 단위 질량의 물의 온도를 기준 온도에서 (사용하는 온도 단위로) 1도 상승시키는 데 필요한 열량으로 정의되었지만, 현재는 다양한 방법으로 재정의되고 있다. 따라서 SI 단위 환산에서 값이 다른 정의가 여러 개 존재한다.

열과 역학적인 일은 모두 에너지 이동의 한 형태이며, 모두 에너지의 단위인 줄을 사용하여 나타낼 수 있다는 것이 알려져 있다. 역사적으로 열과 일은 별개의 양으로 인식되었으며, 열의 일당량 측정 등을 통해 열량과 일의 등가성이 확인되었다.

국제단위계에서 에너지의 단위 시간당 이동량의 단위는 와트(W)이다. 와트는 줄 매 초(J/s)와 같다.

대한민국 「계량법」에서 열량의 계량 단위는 줄(J) 또는 와트초, 와트시로 규정되어 있다.^[101] 참고로, 일의 계량 단위와 전력량의 계량 단위도 줄 또는 와트초, 와트시이다.

1999년 10월 이후, 계량 단위로서의 칼로리(cal)의 사용은 “사람 또는 동물이 섭취하는 물질의 열량 또는 사람 또는 동물이 신진대사에 의해 소비하는 열량의 계량”이라는 특수한 계량에만 사용할 수 있다.^[102] 2002년 4월 이후, 중학교 교육과정에서 열량의 계량 단위는 줄을 사용하는 것으로 되었다.^[103] 칼로리 사용 제한의 경위 및 영양학에서의 사용에 대해서는 “칼로리” 항목을 참조한다.

7. 표기법

열량은 일반적으로 ''Q''로 표시되며, 계가 외부로 열을 방출하는 경우 음수(''Q'' < 0), 흡수하는 경우 양수(''Q'' > 0)로 정의된다.^[4] 열전달률은 단위 시간당 열 흐름으로, $\backslash dot\{Q\}$로 표시된다.^[5] 이는 열량의 시간 미분으로 $\backslash dot\{Q\}\; =\; \backslash frac\{dQ\}\{dt\}$ 와 같이 표현할 수 있다. 열속(heat flux)은 단위 면적당 열전달률로, ''q''로 표시된다.

8. 내부 에너지

열역학 제1법칙에 따르면, 닫힌계의 에너지는 보존된다. 따라서 계의 에너지를 변화시키려면 에너지가 계와 다른 계 사이를 이동해야 한다. 계의 질량이 일정할 때, 에너지를 이동시킬 수 있는 방법은 열과 일뿐이다. 열은 온도의 변화로 인해 발생하는 에너지 이동이다. 열에 의해 이동되는 에너지의 양은 줄(J) 단위로 나타내며, Btu(British Thermal Unit) 또는 cal(칼로리)도 사용된다.

열의 이동은 경로 함수(상태 함수와 반대되는 개념)이다. 열은 서로 평형상태가 아닌 계들 사이에서 흐르며, 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 자발적으로 흐른다. 온도가 다른 두 물체가 열적 접촉을 하면, 온도가 같아질 때까지 내부에너지를 교환한다. '뜨겁다'는 것은 물체의 온도가 주위보다 높다는 상대적인 표현이다. '열'은 에너지의 흐름을 나타낸다. 역학적 상호작용이 없을 때, 물체로 이동하는 열은 내부에너지의 형태로 저장된다.

비열은 물질의 온도를 1도 올리기 위해 필요한 단위 질량당 에너지의 양이다. 순수한 물질이 한 상태에서 다른 상태로 변화할 때(상태변화), 온도의 변화 없이 열을 흡수하거나 방출한다. 이때 이동하는 열의 양은 숨은열 또는 잠열이라고 하며, 물질과 상태에 따라 다르다.

열은 에너지의 한 형태이므로 국제단위계(SI)에서 줄(J)을 단위로 사용한다. 많은 공학 분야에서는 영국 열량 단위(BTU)와 칼로리도 사용한다. 가열 속도의 표준 단위는 와트(W)이며, 1초당 1줄로 정의된다.

열을 나타내는 기호는 루돌프 클라우지우스와 맥쿼른 랭킨에 의해 도입되었다.^[4] 계에서 주변 환경으로 방출되는 열은 음수로, 계가 주변 환경에서 열을 흡수할 때는 양수로 표시한다. 열전달률(단위 시간당 열 흐름)은 $\backslash dot\{Q\}$로 표시되지만, 열은 상태 함수가 아니므로 상태 함수의 시간 도함수(점 표기법)로 쓸 수 없다.^[5] 열속은 단위 면적당 열전달률(제곱미터당 와트)로 정의된다.

열에 대한 현대적 이해는 1798년 벤저민 톰슨(Benjamin Thompson)의 열의 기계적 이론(''마찰에 의해 발생하는 열의 근원에 관한 실험적 조사''(An Experimental Enquiry Concerning the Source of the Heat which is Excited by Friction))에 부분적으로 기인하며, 이 이론은 열의 기계적 등가량(mechanical equivalent of heat)을 가정하였다. 1845년, 줄(Joule)은 ''열의 기계적 등가량''(The Mechanical Equivalent of Heat)이라는 논문에서 "열 단위를 생성하는 데 필요한 기계적 일의 양"에 대한 수치를 명시하였다.^[26] 고전 열역학 이론은 1850년대에서 1860년대에 걸쳐 성숙하였다.

1850년 클라우지우스는 줄의 실험 결과에 답하며 열의 보존에 대한 열소설(caloric doctrine)을 기각하고, 마찰에 의해 온도가 상승하는 현상을 열의 실제적인 증가로 설명해야 한다고 주장했다. 또한, 열이 물체의 입자들의 운동으로 구성된다는 사실을 언급했다.^[27]

루돌프 클라우지우스는 1850년에 열량 함수를 도입하고, 이를 독일어 ''Wärmemenge''("열량"으로 번역)로 설명했다.^[27]

제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 1871년 저서 『열이론(Theory of Heat)』에서 열의 정의에 대한 네 가지 조건을 제시했다.

• 열은 열역학 제2법칙에 따라 한 물체에서 다른 물체로 전달될 수 있다.
• 열은 측정 가능한 양이므로 수학적으로 다룰 수 있다.
• 열은 물질이 아니다. 일로 변환될 수 있기 때문이다.
• 열은 에너지의 한 형태이다.^[28]

9. 엔트로피

1856년, 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스는 열역학 제2법칙을 정의하면서 열 ''Q''와 온도 ''T''의 비율($\{\}\; \backslash frac\; \{Q\}\{T\}$)을 고려했다.^[106][107]

1865년에 클라우지우스는 이 비율을 엔트로피라 명명하고 ''S''로 표기했다.

:$\backslash Delta\; S\; =\; \backslash frac\; \{Q\}\{T\}$

따라서 열의 불완전 미분 ''δQ''는 ''TdS''라는 완전 미분으로 정의된다.

:$\backslash delta\; Q\; =\; T\; dS\; \backslash ,$

다시 말해, 엔트로피 함수 ''S''는 열역학적 계의 경계를 통과하는 열류를 정량화하고 측정하는 것을 쉽게 한다.

10. 열기관과 열효율

열기관은 열을 일로 변환하는 장치이다. 열효율(η)은 열기관에 주어진 열($Q$)에 대해 얻어진 일($W$)의 비율($\backslash eta=W/Q$)로 정의된다. 열기관에서는 어떤 장치라도 고온의 열원에서 저온의 열원으로 열이 새는 것을 완전히 막을 수 없기 때문에, $\backslash eta=1$이 되는 (즉, 주어진 열을 완전히 일로 변환할 수 있는) 열기관은 존재하지 않는다(열역학 제2법칙). 이것은 영구기관의 존재 불가능성과도 관련이 있다.^[26]

11. 열량계

열량계는 화학 반응이나 물리적 변화 과정에서 흡수되거나 방출되는 열용량을 측정하는 장치이다. 1780년, 프랑스 화학자 앙투안 라부아지에는 '열량계'라 명명한 장치를 사용하여, 장치를 둘러싼 눈이 녹는 현상을 관찰함으로써 호흡에 의해 방출되는 열을 연구했다.^[22] 1782년에서 1783년 사이, 라부아지에와 그의 동료 피에르-시몽 라플라스는 '얼음 열량계'를 활용하여 다양한 화학 반응에서 발생하는 열을 측정했다. 이 열은 특정량의 얼음을 녹였고, 얼음을 녹이는 데 필요한 열량은 이미 알려져 있었다.^[23]

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