Ch5 물질의 상태 변화 Lesson 2 상태 변화와 열에너지

2. 상태변화와 열에너지

 

여름철에 빙수를 시켜서 입안에서 녹여서 먹으면 입안이 시원해집니다. 그럼 왜 그럴까요?? 그 관련해서 상태변화와 열이동의 관계에 대해 알아보도록 합시다.

 

A. 상태변화와 열에너지의 흡수

1) 열에너지

물체의 온도를 변화시키거나 물질의 상태를 변화시키는 에너지의 한 형태를 열에너지라고 합니다.

 

a) 열에너지의 이동

따뜻한 핫팩을 잡고 있으면 핫팩은 식어가면서 잡고 있는 손은 따뜻해 지듯이 열에너지는 온도가 높은 물질에서 낮은 물질로 이동합니다. 당연하겠지만 열에너지를 얻은 물질은 온도가 높아지고, 열에너지를 잃은 물질은 온도가 낮아집니다. 위의 예시에서 핫팩은 열에너지를 잃은 것이고 손은 열에너지를 얻은 것이죠

 

b) 열에너지의 크기

물질이 가지는 열에너지의 크기는 단순히 온도만으로는 측정할 수 없습니다. 여기서는 주로 온도와 물질의 상태에 따라 달라집니다.

 

ㄱ 온도 – 물질의 온도가 높을수록 열에너지가 큽니다.

ㄴ 물질의 상태 – 물질이 고체->액체->기체 상태로 될수록 열에너지가 큽니다.

 

2) 고체를 가열할 때의 온도 변화

고체를 가열하면 온도가 점점 높아지다가 녹기 시작하면 온도가 더 이상 높아지지 않고 일정하게 유지가 됩니다. 고체가 녹아 액체가 된 후 계속 가열하면 액체의 온도는 다시 높아집니다.

 

a) 녹는점

고체가 녹아서 액체로 되는 동안 일정하게 유지되는 온도를 녹는점이라고 합니다. 녹는점에서는 융해가 일어나며, 고체와 액체의 두 가지 상태가 함께 존재합니다.

 

b) 고체가 녹는 동안 온도가 일정하게 유지되는 까닭

이렇게 융해 구간에서 온도가 일정하게 유지되는 이유는 흡수한 열에너지를 온도를 높이는데 사용하지 않고 상태변화에 다 쓰기 때문입니다. 고체에서 액체로 상태변화에 에너지를 사용하기때문에 물질의 온도가 일정하게 유지됩니다.

 

c) 융해가 일어날 때 입자 배열의 변화

고체가 열에너지를 흡수하면 입자의 운동이 활발해져 입자 사이의 인력이 약해지게 됩니다. 이때 규칙적으로 배열되어 있던 입자가 흐트러지면서 입자 사이의 거리가 멀어져 액체 상태로 바뀌게 됩니다.

다시한번 흡수한 열에너지는 입자 배열을 변화시켜 고체가 융해하는데 사용되기 때문에 가열해도 온도가 일정하게 유지된다.

 

얼음이 녹을때의 온도변화 실험으로 이 상황을 다시 살펴 봅시다.

 

ㄱ – 얼음의 온도가 서서히 높아지다가, 0도가 되면 얼음이 녹기 시작합니다.

ㄴ – 얼음이 녹는 동안에는 온도가 일정하게 유지된다. 이것은 얼음이 녹는 동안 흡수한 열에너지가 상태변화(융해)하는 데 모두 사용되기 때문입니다.

 

3) 액체를 가열할 때의 온도 변화

액체를 가열할때도 고체를 가열할때와 비슷한 온도 변화가 일어납니다. 액체를 가열하면 온도가 점점 높아지다가, 액체가 끓기 시작하면 온도가 더 이 상 높아지지 않고 일정하게 유지된다. 액체가 끓어 기체가 된 이후로 계속 가열하면 기체의 온도는 다시 높아집니다.

 

a) 끓는점

액체가 끓어 기체가 되는 동안 일정하게 유지되는 온도를 끓는점이라고 합니다. 끓는점에서는 기화가 일어나며, 액체와 기체의 두 가지 상태가 함께 존재합니다.

 

b) 액체가 끓는 동안 온도가 일정하게 유지되는 까닭

고체가 액체로 변화할 때 온도가 일정하게 유지되는 이유랑 비슷합니다. 흡수한 열에너지를 물질의 온도를 높이는 데 사용되지 않고, 액체에서 기체로 상태변화(기화)하는데 모두 사용되기 때문입니다. 온도변화에 들어갈 에너지가 없는 것이죠.

 

c) 기화가 일어날 때 입자 배열의 변화

액체가 열에너지를 흡수하면 입자의 운동이 매우 활발해져 입자 사이의 인력이 거의 없어집니다. 이때 입자 배열이 매우 불규칙해지면서 입자 사이의 거리가 매우 물어져서 기체 상태로 변합니다.

-> 다시한번 흡수한 열에너지는 입자 배열을 변화시켜 액체가 기화하는데 사용되기 때문에 가열해도 온도가 일정하게 유지된다.

 

다음의 에탄올 가열 실험에서 살펴보도록 합시다.

ㄱ – 에탄올의 온도가 서서히 높아지다가, 약 78 ℃가 되면 에탄올이 끓기 시작합니다.

ㄴ – 에탄올이 끓는 동안에는 온도가 일정하게 유지됩니다. 이것은 에텐올이 끓는 동안 흡수한 열에너지가 상태변화(여기서는 기화) 하는 데 모두 사용되기 때문입니다.

 

4) 녹는점, 끓는점과 물질의 상태

모든 물질은 녹는점보다 낮은 온도에서 고체 상태로 존재하고, 녹는점과 끓는점 사이의 온도에서는 액체 상태로 존재하며, 끓는점보다 높은 온도에서는 기체 상태로 존재한다.

 

예) 얼음의 녹는점은 0℃, 물의 끓는점은 100℃이다. 따라서 0℃ 이하에서는 고체 상태인 얼음, 0℃에서 100℃ 사이에서는 액체 상태인 물, 100℃ 이상에서는 기체상태인 수증기로 존재합니다.

 

B. 상태 변화와 열에너지의 방출

1) 액체를 냉각할 때의 온도 변화

액체를 냉각하면 온도가 점점 낮아지다가, 액체가 얼기 시작하면 온도가 더 이상 낮아지지 않고 일정하게 유지됩니다. 액체가 얼어 고체가 된 후 계속 냉각하면 고체의 온도는 다시 낮아집니다.

 

a) 어는점

액체가 얼어 고체가 되는 동안 일정하게 유지되는 온도를 어는점이라고 합니다. 어는점에서는 응고가 일어나며, 액체와 고체의 두 가지 상태가 함께 존재합니다.

 

b) 어는점과 녹는점

한 물질에서 어는점과 녹는점은 당연히 같습니다. 고체에서 액체가 되는 융해가 일어나는 온도와 액체에서 고체에서 응고가 일어나는 온도는 같습니다. 물도 섭씨 0℃에서 얼기도 하고 녹기도 한다는 거죠

 

c) 액체가 어는동안 온도가 일정하게 유지되는 까닭

액체가 고체로 상태 변화(응고) 하면서 열에너지를 방출하기 때문에 온도가 일정하게 유지됩니다.

 

2) 물질을 냉각할 때 입자 배열의 변화

물질이 열에너지를 방출하면 입자의 운동이 둔해져 입자 사이의 인력이 강해집니다. 이때 입자들이 규칙적으로 배열되면서 입자 사이의 거리가 가까워집니다. 그 결과로 기체는 액체로 변하고, 액체는 고체로 변합니다.

 

C. 상태 변화에 따른 열에너지의 이용

1) 상태 변화와 열에너지의 출입

앞에서 보았듯이 물질의 상태 변화가 일어날 때에는 열에너지를 필요로 합니다. 따라서 상태변화시에는 주변에서 열에너지를 흡수하거나 주변으로 열에너지를 방출합니다.

 

2) 열에너지를 흡수하는 상태 변화

융해, 기화, 고체에서 기체로의 승화가 일어날 때에는 주변에서 열에너지를 흡수하므로 주변의 온도가 낮아집니다.

a) 열에너지의 종류

고체가 액체로 융해할 때 흡수하는 열에너지를 융해열, 액체가 기체로 기화할 때 흡수하는 열에너지를 기화열, 고체가 기체로 승화할 때 흡수하는 열에너지를 승화열이라고 합니다. 어렵지는 않죠?? 상태변화 명 뒤에 열을 붙인 것 뿐입니다.

 

b) 열에너지를 흡수하는 상태변화의 예와 이용

 

실생활에서의 예시를 보면서 주변에서 열 에너지를 흡수하는 경우를 살펴 봅시다.

 

융해열 흡수	- 얼음 조각상 옆에 있으면 얼음이 녹으면서 시원해집니다. - 시장에서 생선을 얼음과 함께 보관하여 생선이 상하지 않게 합니다. - 아이스박스에 얼음과 음료수를 함께 넣으면 음료수를 차갑게 보관할 수 있다.
기화열 흡수	- 수영을 하고 물 밖으로 나오면 추위를 느낀다. - 더운 여름철 분수대 주변에 있으면 시원해집니다. - 더운 여름철 도로에 물을 뿌리면 주변이 시원해집니다. - 운동을 한 후 땀을 흘리면 땀이 마르면서 시원해집니다. - 휴대용 버너의 뷰테인 가스를 사용하면 가스통이 차가워진다. - 에어컨은 액체 상태의 냉매를 이용하여 실내를 시원하게 한다. - 열이 날 때 물수건으로 몸을 닦으면 물이 마르면서 체온이 낮아집니다. - 사막의 유목민들은 시원한 물을 마시기 위해 가죽으로 만든 물통을 사용합니다.
승화열 흡수	- 아이스크림을 포장할 때 드라이아이스를 함께 넣으면 아이스크림이 잘 녹지 않는다.

 

가죽으로 만든 물통을 쓰는 이유는??

물통을 이루는 가죽에 아주 작은 구멍이 있어 물이 새어 나와 이 물이 수증기로 기화하면서 열에너지를 흡수하여 물이 시원해집니다.

 

3) 열에너지를 방출하는 상태 변화

응고, 액화, 기체에서 고체로의 승화가 일어날때에는 주변으로 열에너지를 방출하므로 주변의 온도가 높아지게 됩니다.

 

a) 열에너지의 종류

액체가 고체로 응고할 때 방출하는 열에너지를 응고열, 기체가 액체로 액화할 때 방출하는 열에너지를 액화열, 기체가 고체로 승화할 때 방출하는 열에너지를 승화열이라고 합니다.

 

b) 열에너지를 방출하는 상태 변화의 예와 이용

 

앞의 경우와 마찬가지로 실생활에서의 예시를 보면서 마찬가지로 열 에너지를 방출하는 경우를 살펴봅시다.

 

응고열 방출	- 액체 파라핀을 이용하여 통증을 줄이는 온열 치료를 합니다. - 얼음집 안쪽에 물을 뿌리면 얼음집 내부의 온도가 높아진다. - 날씨가 갑자기 추워질 때 오렌지 나무에 물을 뿌려 냉해를 막습니다. - 겨울철 과일 창고 안에 물 항아리를 놓아두어 과일이 어는 것을 막습니다.
액화열 방출	- 목욕탕 안이 습기로 후텁지근 하게 됩니다. - 커피 전문점에서는 수증기를 이용하여 우유를 데운다. - 소나기가 내리기 전에는 많은 양의 수증기가 액화하여 후텁지근해 집니다. - 증기 난방기는 물을 끓여 만든 수증기를 이용하여 실내를 따뜻하게 합니다.
승화열 방출	- 눈이 오는 날에는 날씨가 포근해집니다.

 

<관련 실험>

물을 냉각할 때의 온도 변화 측정하기

 

과정 및 결과

1) 스타이로폼 컵에 잘게 부슨 얼음과 소금을 3:1의 비율로 섞어 넣는다.

 

2) 시험관에 물을 1/3정도 넣고, 스타이로폼 컵에 넣어 그림과 같이 장치한다.

 

3) 2분 간격으로 온도를 측정하면서 변화를 관찰한다. 물이 완전히 얼면 5분정도 온도를 더 측정한다.

 

결과해석 및 정리

1) 물을 냉각하면 온도가 서서히 낮아지다가, 0 ℃가 되면 물이 얼기 시작한다.

2) 물이 어는 동안 열에너지를 방출하므로 냉각해도 온도가 낮아지지 않고 일정하게 유지된다.

 

실제 가전의 예시를 통해 상태변화시의 열의 출입이 어떻게 활용되는지를 알아 봅시다.

 

A. 냉장고

냉장고는 증발기와 응축기(액화기)로 구성되어 있습니다. 증발기에서는 액체냉매가 기체로 변화면서 기화열을 흡수하므로 냉장고안은 열을 빼앗기면서 온도는 낮아지게 됩니다.

증발기에서 나온 기체 냉매는 응축기로 들어가 액체로 변하는데, 이때 액화열을 방출하기  때문에 주변의 온도는 높아지게 됩니다.

따라서 증발기가 있는 냉장고 내부는 차가운 상태가 유지가 됩니다. 응축기가 있는 냉장고 옆 부분이나 뒷부분은 방출한 열에너지로 인해 따뜻합니다.

 

B. 에어컨

집안에 설치된 에어컨의 증발기에서는 액체 냉매가 기체로 변하면서 실내 공기의 열에너지(기화열)를 흡수하여 온도를 낮춥니다. 이때 차가워진 공기가 실내로 퍼지면서 방 안을 시원하게 합니다.

실내기에서 나온 기체 냉매는 실외에 설치된 응축기로 들어가 액체로 변하면서 열에너지(액화열)을 방출하고, 방출한 열에너지는 실외기를 통해 더운 바람으로 나오게 됩니다.

 

C. 증기 난방기

보일러에서 버너로 물을 가열하면 물이 수증기로 변하면서 기화열을 흡수하게 됩니다. 보일러에서 나온 수증기는 집안에 설치된 방열기로 들어가 관을 따라 이동하면서 다시 물로 변하게 됩니다. 이때 액화열을 방출하게 됩니다. 방출한 열에너지는 실내 온도를 높이는데 사용됩니다.