이번 시간에는 두 가지 탐구를 만난다.
① 탐구 1 — 비열 측정: 같은 양의 물과 식용유에 동일한 시간 동안 같은 열을 주었을 때, 어느 쪽 온도가 더 빨리 오르는지 비교한다.
② 탐구 2 — 열팽창 관찰: 금속 막대를 가열했을 때 길이의 변화를 관찰하고, 다리·철로의 이음매 구조를 그 결과로 설명해 본다.
각 탐구의 결과 그래프를 직접 만들어 보고, 일상에서 그 원리가 어떻게 사용되는지 살펴보자.
SECTION 01 · 도입
두 가지 질문, 두 가지 탐구
학교에서 가까운 해변을 떠올려 보자. 발이 델 만큼 뜨거운 모래와, 같은 햇볕 아래 시원한 바닷물. 왜 다를까? 그리고 또 하나, 한여름 철로가 휘어버린 사진은 왜 그렇게 굽었을까? 이 두 가지를 데이터로 풀어 본다.
LAB · 01
같은 열, 다른 온도
물과 식용유, 누가 더 빨리 뜨거워질까?
탐구 목표
같은 질량·같은 열을 주었을 때 물질에 따라 온도 변화가 다르다는 사실을 데이터로 확인한다.
준비물
비커 2개, 물 100 g, 식용유 100 g, 디지털 온도계 2개, 알코올램프(또는 가열 장치) 2개, 삼발이·석면 망, 초시계
실험 과정
- 비커 두 개에 각각 물 100 g, 식용유 100 g을 넣는다.
- 두 비커에 디지털 온도계를 꽂아 처음 온도를 기록한다.
- 두 비커를 동시에 같은 세기로 가열한다.
- 30초마다 각 비커의 온도를 4분간 기록한다.
- 시간을 가로축, 온도를 세로축으로 그래프를 그린다.
결과 시뮬레이션
동시 가열 시뮬레이션 · 물 vs 식용유 (각 100 g)
경과
0.0s
WATER
물 (100 g)
20°C
OIL
식용유 (100 g)
20°C
결과 해석 · 같은 양·같은 시간 가열했지만, 식용유의 온도가 약 2배 빠르게 올라간다. 같은 열량을 흡수해도 식용유의 비열(0.47)이 물의 비열(1.00)보다 작아, 물의 온도가 더 느리게 오르기 때문이다. 즉, 비열이 클수록 같은 열을 흡수해도 온도 변화가 작다.
생각해 보기
① 같은 양의 물과 식용유를 같은 세기로 가열했는데, 어느 쪽이 더 빨리 뜨거워졌는가?
② 4분 후 두 액체의 온도 차이는 얼마인가? 왜 차이가 생겼을까?
③ 만약 비커의 양을 50 g으로 줄이면, 그래프의 기울기는 어떻게 달라질까?
SECTION 03 · 비열의 의미
비열 — 물질마다 다른 '온도 변화의 속도'
실험에서 보았듯, 같은 열을 줘도 어떤 물질은 빠르게, 어떤 물질은 천천히 뜨거워진다. 이 차이를 정량화한 값이 비열이다.
비열(specific heat)이란, 어떤 물질 1 g의 온도를 1°C 올리는 데 필요한 열의 양이다. 단위는 cal/(g·°C) 또는 J/(g·°C)를 사용한다.
비열이 큰 물질은 같은 열을 받아도 온도가 천천히 오른다. 이는 같은 양의 열로 더 적은 온도 변화만 일으킨다는 의미이다. 반대로 비열이 작은 물질은 같은 열을 받으면 온도가 빠르게 오른다.
물의 비열은 1.00 cal/(g·°C)로, 주변에서 흔히 보는 물질 중 가장 큰 편이다. 그래서 물은 다른 물질보다 데우기도 어렵고, 식기도 어렵다.
| 물질 | 비열 (cal/g·°C) | 특징 |
|---|---|---|
| 물 | 1.00 | 매우 큰 편 — 데우기·식히기 어려움 |
| 식용유 | 0.47 | 물의 절반 — 더 빨리 데워짐 |
| 모래 | 0.20 | 물의 1/5 — 햇볕에 빠르게 뜨거워짐 |
| 알루미늄 | 0.22 | 금속 중 비열이 큰 편 |
| 철 | 0.11 | 같은 열로 약 9°C 변화 |
| 구리 | 0.09 | 매우 작음 — 빠르게 가열 |
SPECIFIC HEAT · 자연 속 비열
모래는 뜨겁고, 바다는 시원한 이유
한낮의 햇볕은 모래에도, 바닷물에도 같은 양으로 내리쬔다. 그런데 모래(비열 0.20)는 발이 델 만큼 빠르게 뜨거워지고, 바닷물(비열 1.00)은 미지근하게만 데워진다.
같은 열을 받아도 비열이 5배 차이나기 때문이다. 그래서 바다는 지구의 거대한 온도 조절 장치 역할을 한다 — 낮에는 열을 흡수해 더위를 식히고, 밤에는 천천히 식으며 주변 공기를 따뜻하게 한다.
사진 © Wikimedia Commons (CC BY 4.0)
☕
찜질팩 안 물
물은 비열이 커서 뜨거움을 오래 유지한다. 그래서 핫팩에 물을 넣어 쓴다.
🌊
해풍과 육풍
낮에는 육지가 빠르게 뜨거워져 바다 → 육지로 바람, 밤에는 반대로 분다.
🍳
철 프라이팬
철의 비열이 작아 빨리 뜨거워지고 빨리 식는다. 요리에 유리한 까닭.
🚗
자동차 라디에이터
엔진을 식히는 액체에 비열이 큰 물을 사용해 많은 열을 흡수한다.
LAB · 02
가열하면 길어진다
금속 막대의 열팽창 관찰
탐구 목표
고체에 열을 가했을 때 길이가 늘어나는 현상을 관찰하고, 그 까닭을 입자 모형으로 설명한다.
준비물
금속 막대(구리 또는 알루미늄), 고리지지대, 자(또는 길이 측정 장치), 알코올램프, 단열장갑
실험 과정
- 금속 막대의 처음 길이를 측정해 기록한다.
- 막대 한쪽 끝을 고정하고, 반대쪽 끝은 자유롭게 늘어날 수 있게 한다.
- 알코올램프로 막대를 균일하게 가열한다.
- 2분간 가열 후, 막대의 새 길이를 측정한다.
- 가열 전후 길이 차이를 비교한다.
결과 시뮬레이션
금속 막대 가열 · 길이 변화 시뮬레이션
METAL ROD · 가열 전후
25°C · 30cm
관찰 결과
가열한 막대는 처음보다 길어진다. 다시 식히면 원래 길이로 돌아온다. 이 현상을 열팽창(thermal expansion)이라고 한다.
왜 그럴까? — 입자 모형으로
고체 입자는 자기 자리에서 진동하고 있다. 가열하면 진동의 폭이 더 커진다. 입자들 사이의 평균 거리가 살짝 멀어지면서, 전체적으로 막대의 길이가 늘어나는 것이다. 식히면 진동이 줄어들고, 입자 사이 거리가 다시 가까워져 원래 길이로 돌아온다.
SECTION 05 · 열팽창의 응용
늘어남에 대비한 설계, 늘어남을 활용한 장치
열팽창은 막을 수 없는 자연스러운 현상이다. 사람은 이를 막는 대신 설계에 미리 반영하거나, 거꾸로 유용한 도구로 활용해 왔다.
CIVIL ENGINEERING · 토목 공학
다리에 일부러 만들어 둔 틈
큰 다리에 일정한 간격으로 톱니 모양의 틈(신축 이음매)이 있다. 빈틈처럼 보이지만, 사실 정확한 설계의 결과이다.
여름에 다리가 햇볕에 가열되면 수 cm씩 길이가 늘어난다. 만약 틈이 없다면 늘어난 다리가 서로 밀어 휘거나 깨질 것이다. 톱니 모양 이음매가 늘어남을 흡수하고, 차량이 부드럽게 통과할 수 있게 해 준다.
사진 © Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)
🚆
철로 사이의 틈
여름의 열팽창에 대비해 철로 사이에 일정한 간격을 둔다. 그러지 않으면 철로가 휜다.
⚡
전깃줄의 늘어짐
여름엔 늘어져 아래로 처지고, 겨울엔 수축되어 팽팽해진다. 너무 팽팽히 매면 겨울에 끊어진다.
🌡️
온도계
관 속의 알코올·수은이 열팽창해 위로 밀려 올라가는 정도로 온도를 읽는다.
🔥
화재 경보기 (바이메탈)
팽창률이 다른 두 금속을 붙여 만든다. 가열되면 휘어져 전기 회로를 연결해 경보가 울린다.
🏗️
건물 외벽 이음매
콘크리트도 열팽창한다. 큰 건물의 외벽에 줄눈(틈)을 두어 깨짐을 방지한다.
🥛
유리병 뚜껑 열기
잘 안 열리는 금속 뚜껑에 뜨거운 물을 부으면, 뚜껑이 유리보다 더 많이 팽창해 쉽게 열린다.
SECTION 06 · 형성평가
스스로 점검하기
학습한 내용을 확인해 보자. 답을 누르면 곧바로 해설을 볼 수 있다.
3문항 점검 퀴즈
맞힌 개수 0/ 3
Q1
같은 양(100 g)의 물과 식용유에 같은 열을 같은 시간 동안 가했다. 물(비열 1.00)과 식용유(비열 0.47)의 온도 변화를 옳게 설명한 것은?
해설 · 비열은 1 g의 온도를 1°C 올리는 데 필요한 열의 양이다. 비열이 클수록 같은 열을 흡수해도 온도가 덜 오른다. 식용유의 비열(0.47)은 물(1.00)보다 작으므로, 같은 열로 식용유의 온도가 약 2배 빠르게 올라간다.
Q2
한여름의 한낮, 해변의 모래는 뜨겁고 바닷물은 시원한 까닭으로 가장 적절한 것은?
해설 · 모래의 비열은 약 0.20, 물의 비열은 약 1.00으로 물의 비열이 5배 정도 크다. 같은 햇볕(같은 열)을 받아도 비열이 큰 물은 천천히 데워지고, 비열이 작은 모래는 빠르게 뜨거워진다. 그래서 한낮의 해변에서 모래는 뜨겁고 바닷물은 시원하게 느껴진다.
Q3
큰 다리의 표면에 일정한 간격으로 톱니 모양의 틈(신축 이음매)을 만들어 두는 까닭으로 옳은 것은?
해설 · 모든 고체는 가열되면 팽창하고 냉각되면 수축한다. 큰 다리는 여름·겨울 온도 차이가 크므로 길이가 수 cm 변한다. 신축 이음매가 없다면 다리가 늘어날 곳이 없어 휘거나 깨질 수 있다. 톱니 모양의 이음매가 늘어남을 안전하게 흡수한다.
핵심 정리
SPECIFIC HEAT
비열
1 g의 온도를 1°C 올리는 데 필요한 열량. 물질마다 다르다.
WATER
물의 비열
1.00 cal/(g·°C). 매우 큰 편 — 지구의 온도 조절자.
EXPANSION
열팽창
가열 시 입자 진동 폭이 커져 부피·길이가 늘어남.
DESIGN
신축 이음매
다리·철로·전깃줄 등에 미리 늘어남을 대비한 구조.