뿌리학습 · 중학 과학탐구
열과 열평형·비열·열팽창
온도와 열은 다른 말이다. 온도는 물체가 얼마나 뜨거운지를 나타내는 값이고, 열은 온도 차이 때문에 한 곳에서 다른 곳으로 전달되는 에너지다. 온도는 ℃로 읽고 열은 J이나 kcal로 센다. 단위가 다르다는 것이 두 개념이 다르다는 뜻이다.
이 단원, 내가 꺼낼 수 있는지 확인해 볼까요?
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개념 정리
입자 수준에서 보면 구분이 쉬워진다. 뜨거운 물체의 입자들은 평균적으로 더 활발하게 움직이고, 차가운 물체의 입자들은 평균적으로 덜 활발하게 움직인다. 두 물체를 맞대면 맞닿은 면에서 입자들이 서로 부딪치면서, 더 활발한 쪽에서 덜 활발한 쪽으로 움직임이 전달된다. 그래서 뜨거운 쪽은 점점 둔해지고 차가운 쪽은 점점 활발해진다. 이 과정에서 옮겨 간 것이 열이다.
계속 나눠 주다 보면 양쪽 입자들의 움직이는 정도가 비슷해지는 때가 온다. 그러면 한쪽으로 치우친 이동이 멈춘다. 이 상태를 열평형이라 하고, 이때 두 물체의 온도는 같다. 반대로 말하면 온도가 같아졌다는 것은 더 이상 한쪽으로 치우친 이동이 없다는 뜻이다.
이 과정을 그래프로 그리면 이렇게 보인다. 가로축을 시간, 세로축을 온도로 두고 두 물체의 온도를 함께 그리면, 위에서 시작한 곡선은 내려오고 아래에서 시작한 곡선은 올라온다. 곡선이 내려오는 동안 그 물체의 입자들은 점점 덜 활발해지고, 곡선이 올라오는 동안 다른 쪽 입자들은 점점 더 활발해진다. 두 곡선이 같은 온도에 이르러 더 이상 차이가 나지 않는 부분이 열평형이고, 이때 양쪽 입자들의 평균적인 움직임이 같아진 것이다. 주변으로 열이 빠져나가지 않는다면 두 곡선이 만나는 온도는 처음 두 온도 사이의 값이 되지, 두 값을 더한 값이 아니다.
가장 많이 틀리는 지점이 여기다. 100℃ 물과 50℃ 물을 섞으면 150℃가 된다고 답하는 경우다. 온도는 물체에 담겨 있는 양이 아니라서 더할 수 없다. 물을 두 컵 부었다고 온도가 두 배가 되지 않는 것과 같다. 두 물의 양이 같고 주변으로 빠져나가는 열을 무시한다면 나중 온도는 두 값의 가운데인 75℃가 된다. 다만 가운데가 되는 것은 양이 같을 때뿐이다. 뜨거운 물이 훨씬 많다면 나중 온도는 100℃ 쪽으로 기울고, 적다면 50℃ 쪽으로 기운다.
방향도 한 가지 정해 두어야 한다. 차가워지는 쪽에서 냉기가 나오는 것이 아니다. 나오는 것은 없고, 열이 빠져나간 것이며, 열을 내준 쪽이 차가워진다. 얼음이 녹으며 손이 시원해지는 것도 얼음이 손의 열을 가져갔기 때문이다. 이 기준은 상태 변화나 화학 반응에서 에너지 출입을 판정할 때와 같다.
감각도 온도계로 쓸 수 없다. 같은 방에 오래 놓여 있던 금속 그릇과 나무 도마를 만지면 금속이 훨씬 차갑게 느껴진다. 그러나 두 물체는 이미 방의 공기와 열평형에 이르렀으므로 온도가 같다. 금속이 차갑게 느껴지는 이유는 온도가 낮아서가 아니라 손의 열을 빠르게 가져가기 때문이다. 열이 이동하는 빠르기와 도달하는 온도는 다른 이야기다.
떨어져 있어도 열평형은 일어난다. 열은 맞닿은 곳으로만 옮겨 가는 것이 아니라 공기를 통해서도, 빛의 형태로도 옮겨 간다. 그래서 햇빛이 들거나 난방기가 돌지 않는, 주변 조건이 일정한 방이라면 그 안에 오래 둔 물건들은 재질이 무엇이든 주변과 온도가 같아진다. 재질은 그 온도에 도달하는 속도를 바꿀 뿐이다.
숫자가 없어도 판단할 수 있어야 한다. 두 물체의 온도가 같다고만 주어져도 한쪽으로 치우친 열의 이동은 없다고 답할 수 있다. 접촉 면적이 얼마인지, 어떤 재질인지는 이 판단에 필요하지 않다.
이제 비열로 넘어간다. 같은 양의 열을 주어도 물질에 따라 온도가 오르는 정도가 다르다. 같은 양의 물과 식용유에 같은 열을 가하면 식용유의 온도가 더 크게 오른다. 이렇게 물질마다 온도를 올리기 어려운 정도가 다른데, 어떤 물질 1kg의 온도를 1℃ 높이는 데 필요한 열량을 그 물질의 비열이라 한다. 비열은 물질마다 정해져 있어 물질을 구별하는 특성이 된다.
여기서 자주 어긋나는 지점이 있다. 빨리 식으니까 열을 많이 잃었다고 보는 것이다. 그런데 빨리 식었다는 말은 열이 얼마나 빠져나갔는지가 아니라 얼마나 빨리 빠져나갔는지를 알려 줄 뿐이다.
같은 컵에 같은 양의 물을 담아 두 잔을 만들었다고 해 보자. 한 잔은 바람이 부는 창가에 두고, 다른 한 잔은 상자 안에 넣어 둔다. 창가의 물이 훨씬 빨리 식는다. 그래도 시간이 얼마나 걸렸든 두 잔 모두 80℃에서 40℃까지 식었다면, 빠져나간 열의 양은 같다. 걸린 시간만 달랐을 뿐이다.
그러니 빨리 식었다고 해서 열을 많이 잃은 것도 아니고, 반대로 적게 잃은 것도 아니다. 빨리 식었다는 것만으로는 열의 양을 알 수 없다. 열의 양은 어떤 물질인지, 얼마나 많은지, 온도가 얼마나 변했는지가 함께 정한다.
비열이 하는 말은 이것이다. 같은 양의 열이 드나들 때 비열이 작은 물질은 온도가 더 크게 변하고, 비열이 큰 물질은 온도가 조금만 변한다.
물의 비열은 다른 물질에 비해 유난히 크다. 그래서 같은 양의 열이 드나들어도 물의 온도는 조금밖에 변하지 않는다. 바닷가의 하루 기온 변화가 내륙보다 작은 데에도, 자동차 엔진의 냉각수로 물을 쓰는 데에도 이 성질이 큰 몫을 한다.
데우는 쪽만 보지 말고 식는 쪽도 같이 보아야 한다. 같은 열을 주었을 때 온도가 조금 오른다는 말과, 같은 열을 잃었을 때 온도가 조금 내린다는 말은 같은 성질을 양쪽에서 본 것이다. 한쪽만 익혀 두면 반대 상황이 나왔을 때 판단이 서지 않는다.
열이 옮겨 가는 방식은 세 가지로 나눈다. 이웃한 입자들이 부딪치며 차례로 움직임을 전해 주는 것이 전도다. 금속 숟가락을 뜨거운 국에 담가 두면 손잡이까지 뜨거워지는 것이 전도다. 액체나 기체처럼 흐를 수 있는 물질에서는 데워진 부분이 올라가고 차가운 부분이 내려오며 물질이 직접 움직여 열을 나른다. 이것이 대류이고, 냄비 속 물이 골고루 데워지는 것이 그 예다. 복사는 물질을 거치지 않고 열이 직접 전달되는 방식이다. 태양의 열이 우주 공간을 건너 지구에 닿는 것이 복사다.
온도가 오르면 물체의 부피는 대개 늘어난다. 이것을 열팽창이라 한다. 입자 자체가 커지는 것이 아니라 입자들이 더 활발하게 움직이면서 서로 사이의 거리가 멀어지기 때문이다. 늘어나는 정도는 물질마다 달라서, 다리 이음새에 틈을 두거나 늘어나는 정도가 다른 두 금속을 붙인 바이메탈로 온도에 따라 전기를 끊고 잇는 장치를 만든다. 비열처럼 열팽창 정도도 물질마다 달라 생활 곳곳에 이용된다.
[심화] 드나든 열의 양을 계산할 수도 있다. 열량은 비열과 질량과 온도 변화를 모두 곱한 값이다. 기호로 쓰면 Q = cmΔT이고, c가 비열, m이 질량, ΔT가 온도 변화다. 이 식이 알려 주는 것은 온도 변화만으로는 열량을 알 수 없다는 점이다. 같은 물질이라도 양이 많으면 같은 온도만큼 변하는 데 더 많은 열이 필요하고, 온도 변화가 같더라도 물질이 다르면 드나든 열량이 다르다. 앞에서 온도 변화와 열의 양을 붙여 읽지 말라고 한 이유가 이 식에 그대로 들어 있다. 세 가지가 모두 조건에 있는지 먼저 확인하는 습관이 필요하다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과03-03]물질에 따라 비열과 열팽창 정도가 다름을 알고, 이러한 성질이 일상생활에서 유용하게 활용됨을 인식할 수 있다.
- [9과03-01]온도와 열평형 과정을 물질을 구성하는 입자들의 배치나 움직임 등으로 설명할 수 있다.
- [9과03-02]열은 전도, 대류, 복사로 전달됨을 알고, 열전달 과정을 모형 등을 사용하여 다양하게 표현할 수 있다.
자주 하는 착각
열과 온도를 구분하지 못함
- 두 물체를 붙이거나 섞으면 두 온도를 더하거나 평균 내어 나중 온도를 구한다. 온도가 숫자로 주어지니 계산할 수 있는 양으로 보이기 때문이다. 초등 단계에서 100℃와 50℃를 붙여 150℃라 답한 학생이 셋 중 하나였고, 중학교에서 열 단원을 배운 뒤에도 열 명 중 셋 가까이가 같은 방식으로 답한다. 온도는 물체가 담고 있는 양이 아니라 얼마나 뜨거운지를 나타내는 값이다. 서로 다른 물체의 온도를 단순히 더하거나 평균 내어 나중 온도로 삼을 수 없다.
- 이동한 열의 양을 몇 ℃라고 답한다. 두 단어를 같은 뜻으로 쓰기 때문이다. 학습 후에도 열 명 중 셋이 이렇게 답한다. 열은 온도 차이 때문에 전달되는 에너지라 J이나 kcal로 세고, 온도는 상태를 나타내는 값이라 ℃로 읽는다. 단위가 다르다는 점이 두 개념이 다르다는 가장 빠른 신호다.
- 차가워지는 쪽에서 냉기가 나온다고 본다. 시원해지니 무언가 차가운 것이 나온다고 느끼기 때문이다. 나오는 것은 없다. 열이 빠져나간 것이고, 열을 내준 쪽이 차가워진다. 화학 반응이나 상태 변화에서 에너지 출입을 판정할 때 쓰는 기준과 같다.
열평형 판정
- 온도가 같아진 뒤에도 열은 계속 오간다고 본다. 두 물체가 맞닿아 있으면 무언가는 움직인다고 여기고, 그래서 접촉 면적 같은 조건에서 이유를 찾는다. 수치가 주어지지 않은 문항에서 이 판단을 한 학생이 여섯 중 넷에 가깝다. 온도가 같아지면 한쪽으로 치우친 이동이 멈춘 상태이고, 이 상태를 열평형이라 한다.
- 떨어져 있는 물체끼리는 열평형에 이르지 않는다고 본다. 열이 이동하려면 붙어 있어야 한다고 배웠기 때문이다. 접촉한 물체를 다룬 문항의 정답률은 60% 안팎이지만, 같은 원리를 떨어진 물체로 옮기면 30% 안팎으로 떨어진다. 주변에서 계속 열을 받거나 잃지 않는다면, 같은 공간에 충분히 오래 둔 물체들은 공기를 거쳐서도 온도가 같아진다.
- 금속이 차갑게 느껴지므로 온도가 더 낮다고 판단한다. 손의 감각을 온도계로 쓰기 때문이다. 이 판단이 한 문항에서 최빈 오답이었고 절반이 넘었다. 금속이 차갑게 느껴지는 이유는 손의 열을 빠르게 가져가기 때문이며, 같은 방에 오래 있었다면 나무와 금속의 온도는 같다.
- 재질을 보고 나중 온도를 예측한다. 앞 단원에서 배운 전도가 떠오르기 때문이다. 충분한 시간이 지난 상황임에도 전도를 끌어다 답한 학생이 넷 중 하나, 비열을 끌어다 답한 학생이 다섯 중 하나였다. 주변과 온도가 같아지기를 기다리는 상황이라면 재질은 같아지는 속도를 좌우했을 뿐 도달한 온도를 바꾸지 않는다. 다만 두 물체가 서로 열을 주고받아 평형에 이르는 상황이라면 이야기가 달라진다. 그때는 물질의 종류와 양이 나중 온도에 영향을 준다. 두 상황을 구분해야 한다.
수치에 기댄 풀이
- 숫자가 주어진 문항은 맞히지만 같은 개념을 말로 물으면 틀린다. 계산 절차를 밟는 것과 개념을 판단하는 것이 다른 일이기 때문이다. 온도가 같으면 열이 이동하지 않는다는 같은 내용을 숫자로 물었을 때는 열 중 여덟이 맞혔고, 숫자 없이 물었을 때는 열 중 넷도 맞히지 못했다. 두 문항을 모두 맞힌 학생은 셋 중 하나뿐이다. 정답률이 이해도를 크게 부풀린다는 뜻이므로, 맞힌 문항이라도 이유를 확인해야 한다.
비열
- 빨리 식으면 열을 많이 잃었다고 본다. 변화가 크게 보이니 그만큼 많이 오갔다고 여기기 때문이다. 이 판단을 한 학생이 넷 중 하나가 넘는다. 이 단원에서 가장 먼저 깨야 할 생각이다. 다만 깨는 방향을 조심해야 한다. 빨리 식었으니 오히려 열을 적게 잃었다고 뒤집어 가르치면 새로운 오개념이 생긴다. 문제는 방향이 아니라 두 가지를 붙여 읽은 것에 있다. 온도가 얼마나 빨리 변하는지는 열이 전달되는 조건이 정하고, 열이 얼마나 드나들었는지는 물질의 종류와 양과 온도 변화가 함께 정한다. 서로 다른 축이므로 하나에서 다른 하나를 곧바로 읽어 낼 수 없다.
- 처음 온도와 나중 온도가 같으면 드나든 열량도 같다고 본다. 온도 변화만 눈에 들어오고 물질의 양은 조건에서 빠뜨리기 때문이다. 여섯 중 하나가 이렇게 답한다. 같은 물질이라도 양이 많으면 같은 온도만큼 변하는 데 더 많은 열이 필요하다.
- 크기가 크면 열이 많이 드나든다고 본다. 겉으로 보이는 크기가 판단하기 쉽기 때문이다. 다섯 중 하나가 부피나 겉넓이로 답했고, 문항에 같은 물질이라고 명시되어 있어도 그랬다.
열의 이동 방식
- 대류는 기체에서만 일어난다고 본다. 바람이나 난방처럼 공기의 움직임으로 먼저 배우기 때문이다. 대류는 액체와 기체처럼 흐를 수 있는 물질에서 데워진 부분이 올라가고 차가운 부분이 내려오며 물질이 직접 움직여 열을 나르는 방식이라, 냄비 속 물에서도 일어난다.
- 복사도 열을 전해 줄 물질이 있어야 한다고 본다. 전도와 대류를 먼저 배워 열은 물질을 타고 간다고 여기기 때문이다. 복사는 물질을 거치지 않고 열이 직접 전달되는 방식이라, 태양의 열이 우주 공간을 지나 지구에 도달한다.
열팽창
- 물체를 가열하면 입자 자체가 커져서 부피가 늘어난다고 본다. 물체가 커지니 알갱이도 커진다고 여기기 때문이다. 입자의 크기는 그대로이고, 입자의 움직임이 활발해져 입자 사이의 거리가 멀어지므로 부피가 늘어난다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
온도가 다른 두 물체를 접촉시키면 두 물체의 온도를 더하거나 평균 내어 나중 온도를 구할 수 있다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
온도가 숫자로 주어지다 보니 덧셈이나 평균 계산을 그대로 적용하고 싶어지기 쉬워요. 하지만 온도는 물체가 담고 있는 양이 아니라 얼마나 뜨거운지를 나타내는 값이에요. 실제로는 두 물체 사이에 열이 오가는 과정을 고려해야 나중 온도를 올바르게 구할 수 있어요.
물체에 이동한 열의 양은 J(줄)이나 kcal(킬로칼로리)와 같은 단위로 나타낸다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
일상에서 '열'과 '온도'를 같은 뜻으로 쓰는 경우가 많아서, 열의 양도 온도처럼 ℃로 나타낸다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 열은 온도 차이 때문에 이동하는 에너지이므로 J이나 kcal로 나타내고, ℃는 물체의 차갑고 뜨거운 상태를 나타내는 온도의 단위예요. 열과 온도는 단위 자체가 다르기 때문에, 단위를 확인하는 것만으로도 두 개념이 다르다는 것을 바로 알 수 있어요.
차가운 물체 근처에서 시원함이 느껴지는 것은 그 물체에서 냉기가 나오기 때문이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
차가운 것을 만지거나 가까이 있을 때 시원하게 느껴지니, 무언가 차가운 기운이 물체에서 흘러나온다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 냉기가 나오는 것이 아니라, 열을 가진 쪽(우리 몸이나 주변 공기)에서 열이 차가운 물체 쪽으로 이동하는 거예요. 열을 내준 쪽이 차가워지는 것이고, 차가운 물체 자체가 무언가를 내보내는 것은 아니에요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반