얼음 → 물 → 수증기로 데우는 동안, 우리는 일정한 세기로 가열한다. 그런데 온도 그래프를 그리면 — 줄곧 올라가는 것이 아니라 두 군데에서 멈춘다. 멈춘 동안에도 열은 분명 들어가고 있다. 그 열은 어디로 갔을까?
얼음을 가열하면 그 온도가 0°C에서 한참 멈춘다. 끓는 물을 더 가열해도 100°C를 넘어가지 않는다. 같은 세기로 열을 주고 있는데도, 온도가 멈춘다는 게 신기하지 않은가?
이 단원에서 우리는 가열 곡선(시간-온도 그래프)을 직접 그려보고 분석한다. 그래프는 두 가지 사실을 명확히 보여준다.
① 어떤 구간에서는 가열할수록 온도가 올라간다. 이때 입자의 운동 에너지가 커지고 있다.
② 다른 구간에서는 계속 가열해도 온도가 일정하게 유지된다. 이때 들어간 열은 모두 상태 변화(입자 배열을 바꾸는 일)에 쓰인다.
즉, 가열로 들어간 열에너지는 두 가지 일을 한다 — 온도를 올리는 일과 상태를 바꾸는 일. 두 일을 동시에 하지는 않는다. 한 번에 한 가지씩이다.
비커, 얼음(약 100 g, −20°C 보관), 디지털 온도계, 알코올램프(또는 일정 출력 가열 장치), 삼발이·석면 망, 초시계
① 그래프에서 평탄한 구간(온도가 일정한 구간)은 몇 곳인가? 각각의 온도는 얼마인가?
② 평탄한 구간 동안에도 분명 열을 가하고 있다. 그 열은 어디로 갔을까?
③ 평탄한 구간에서 비커 안의 상태는 어떤 상태였는가?
실험에서 얻은 곡선은 5단계로 나뉜다. 각 단계가 무엇을 의미하는지 해석해 보자.
핵심은 이것이다 — 들어간 열은 두 가지 일 중 하나에만 쓰인다.
온도가 변하는 구간에서는 입자의 운동 에너지를 키우는 일에, 온도가 일정한 구간에서는 입자의 배열을 바꾸는 일(상태 변화)에 쓰인다. 그래서 가열·냉각 곡선에는 두 군데의 평탄한 구간이 나타난다.
냉각 곡선은 이 과정이 거꾸로 일어난다. 수증기 → 물 → 얼음 순서로 식고, 100°C와 0°C에서 잠시 멈추는 평탄 구간이 나타난다. 이때 입자들은 안정된 상태로 모이며 열을 방출한다.
상태 변화에 흡수·방출되는 열은 단지 그래프 위의 평탄선이 아니다. 우리는 매일 그 열을 이용하고, 그 열로 사는 동물·식물이 있다.
피부의 땀이 증발(기화)하면서 우리 몸의 열을 가져간다. 그래서 운동 후엔 시원한 느낌이 든다.
얼음이 녹는(융해) 동안 열을 흡수하므로, 피부에 닿으면 열을 빼앗아 시원해진다.
에어컨 내부의 냉매가 기화하며 실내의 열을 흡수하고, 실외기에서 액화하며 열을 밖으로 방출한다.
수증기가 비(액체)로 응결(액화)되며 열을 방출한다. 그래서 비 오기 직전 공기가 후텁지근해진다.
0°C 햇볕이 닿아도 눈은 한참 녹지 않는다. 융해열이 매우 커서 많은 열을 흡수해야 하기 때문.
끓는 물은 100°C를 넘지 않는다. 음식이 일정 온도 이상 타지 않게 익히는 안전한 가열 방식.
밤사이 식은 지표면 위에서, 공기 중 수증기가 액화(응결)되며 작은 물방울로 모인다. 이 과정에서 입자들이 열을 방출한다.
그래서 안개가 끼는 새벽엔 공기가 의외로 차갑지 않다. 응결되는 수증기가 풀어낸 열이 주변을 살짝 데우기 때문이다.
학습한 내용을 확인해 보자. 답을 누르면 즉시 해설을 볼 수 있다.