열에너지란 물질의 상태나 온도를 변화시키는 원인이 되는 에너지를 말한다.
대부분의 화학공정에서는 이 열에너지의 전달, 교환 등의 과정이 존재한다. 그 과정에서 사람들은 비열, 열용량, 열량 등을 언급하면서 HYSYS 등을 활용하여 물성치나 공정 계산을 할 때 이용한다.
비열, 열용량, 열량은 사실 그리 간단한 개념이 아니다. 여러가지 물질의 상황과 조건에 따라서 변하기 때문에 자세하게 파고들면 상당히 복잡다.
앞으로 세밀하게 하나하나 다룰 테지만 이번 글에서는 이 3가지를 구분할 수 있을 정도의 개념을 알리고자 한다.
비열
비열이란 물질 1kg의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열에너지의 양이다. 단위는 kcal/kg℃로 나타낸다.
비열이 클수록 물질 1kg의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열에너지의 양이 크다.
저 문장 하나만으로 비열과 열에너지의 상관관계가 이해가 되지 않는다면 숫자를 하나 넣어서 계산해보자.
A라는 물질의 비열은 10kcal/kg℃
B라는 물질의 비열은 20kcal/kg℃라고 하면
각각의 물질에 1kg, 1℃를 곱해보면
A → 10kcal
B → 20kcal이다.
다시 말해 B의 열에너지가 더 높은 수치가 나오기 때문에 비열이 클수록 필요한 에너지 양이 크다는 것을 알 수 있다.
공부를 하다 보면 공식이든 뭐든 문장 자체로 직관적으로 이해되지 않는 경우가 간혹 있다. 이럴 때는 간단한 숫자를 몇 개 넣어봄으로써 수치를 직접 보면 이해가 빠른 경우가 있기 때문에 참고하자.
열용량
열용량은 물질 전체의 온도를 1℃높이는데 필요한 열에너지의 양이다. 단위는 kcal/℃이다.
비열과 마찬가지로 열용량이 클수록 온도를 1℃높이는데 필요한 열에너지의 양이 크다.
가장 많이 혼동되는 개념이 아마 열용량과 열량일 것이다. 이 두 개를 구분할 수 있는 예를 하나 들겠다.
지방과 단백질의 비율이 아주 일정한 3kg의 삼겹살이 있다고 생각해보자.
이 삼겹살을 1kg과 2kg으로 나눠서 구워보자. 뭐가 더 빨리 익을까? 당연히 1kg이 빨리 익는다. 질량이 작아서 열용량이 작기 때문이다.
그렇다면 2kg의 삼겹살을 1kg으로 나눠서 각각 구워보자. 동시에 익을 것이다. 같은 종류의 삼겹살이니까 비열이 같기 때문이다.
정리하면 같은 종류의 삼겹살이니까 1kg를 굽는데 들어가는 열에너지는 같다.(비열)
같은 종류라 해도 한쪽은 1kg, 다른 쪽은 2kg이니 2kg을 굽는데 들어가는데 더 큰 열에너지가 든다.(열용량)
열량
비열과 열용량의 개념 차이를 이해했다면 열량의 개념을 받아들이는 데는 아무 문제없다.
열량은 물질 전체를 Δt℃ 높이는데 필요한 열에너지의 양이다. 위 두 개념을 이해했다면 단위는 cal 것을 알 수 있다.