열량 보존의 원리를 이해하고 고체의 비열을 측정

고체의 비열
해안지방에서는 맑은 날 해륙풍이 분다. 낮과 밤에 바람의 방향이 거의 반대가 되는데, 낮에는 해상에서 육지를 향하여 해풍이 불고, 밤에는 육지에서 해상을 향하여 육풍이 분다. 맑은 날 일출 후 1～2시간은 거의 바람이 불지 않다가 태양의 고도가 높아짐에 따라 해상 쪽에서 바람이 불기 시작하여 오후 1～3시에 가장 강한 바람이 분다. 일몰 후 일시적으로 무풍 상태가 되었다가 다시 육상에서 해상을 향하여 바람이 불기 시작하여 이튿날 아침까지 계속된다. 해풍은 일반적으로 육풍보다 강하여 풍속은 보통 5～6 m/s가 되나 해안의 지형에 따라서는 7～8 m/s까지 부는 경우가 있고 내륙으로 들어감에 따라서 약해진다. 반면에 육풍은 2～3 m/s밖에 되지 않는다.
해륙풍의 원인은 맑은 날은 햇빛이 강하여 해면보다 육지 쪽이 고온이 되는데, 이것은 해상보다 육지의 비열이 작고 해상에는 어느 정도의 깊이까지 열의 전도 및 …(생략)

(1) 시료(알루미늄 조각)의 질량 m1(g)을 측정한 다음, 그림과 같이 실에 묶어 비커의 물 속에 매단다.

(2) 열량계에 널은 물의 질량 m2(g)를 측정한 후, 열량계에 넣고 물의 온도 t2(℃)를 측정한다.

(3) 알코올램프로 가열하여 물이 끓을 때 물의 온도 t1(℃)를 측정한다. 이 때 시료의 온도는 얼마이며, 어떻게 알 수 있는가 ?

(4) 시료는 재빨리 꺼내어 열량계에 넣고 최종 물의 온도 T1(℃)를 측정한다. 열량계 속의 온도계의 눈금이 더 이상 올라가지 않는 최고점의 물의 온도를 측정한다.

(5) 알루미늄 대신 시료를 철과 구리 조각으로 바꾸어서 위의 실험을 반복한다. 시료의 온도가 낮아지고 찬물의 온도가 높아지는 까닭은 무엇인가 ?

(6) 각각의 시료가 잃은 열량과 그 때의 물이 얻은 열량을 구해 보자.

C1 = 0.204Kcal/g℃

C2 = 0.100Kcal/g℃

C3 = 0.083Kcal/g℃

(1) 고온의 물체와 저온의 물체가 접촉하여 열적 평형 상태에 이르면, 고온의 물체가 잃는 열량과 저온의 물체가 얻은 열량은 같다.

(2) 어떤 물질 1㎏을 1℃ 높이는데 필요한 열량을 비열이라고 한다. 비열의 단위는 ㎉/㎏℃ 또는 J/kgK를 사용한다.

(3) 같은 열량을 가할 때 비열이 클수록 온도 변화가 적고, 열을 빼앗길 때도 쉽게 식지 않는다.

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3. 탐구 과정

(1) 시료(알루미늄 조각)의 질량 m1(g)을 측정한 다음, 그림과 같이 실에 묶어 비커의 물 속에 매단다.
※ 유의점 : 시료와 온도계는 비커의 물 속에 완전히 잠기도록 하되, 비커의 바닥에는 닿지 않도록 한다.

(2) 열량계에 널은 물의 질량 m2(g)를 측정한 후, 열량계에 넣고 물의 온도 t2(℃)를 측정한다.

(3) 알코올램프로 가열하여 물이 끓을 때 물의 온도 t1(℃)를 측정한다. 이 때 시료의 온도는 얼마이며, 어떻게 알 수 있는가 ?
☞ 도체인 시료(알루미늄 등)는 3분 정도 같은 온도에 있으면 내부까지도 온도가 같아진다. 물이 끓으면 더 이상은 온도가 안 올라가므로 끓는 물 과 시료의 온도는 같다고 할 수 있다.

(4) 시료는 재빨리 꺼내어 열량계에 넣고 최종 물의 온도 T1(℃)를 측정한다. 열량계 속의 온도계의 눈금이 더 이상 올라가지 않는 최고점의 물의 온도를 측정한다.

(5) 알루미늄 대신 시료를 철과 구리 조각으로 바꾸어서 위의 실험을 반복한다. 시료의 온도가 낮아지고 찬물의 온도가 높아지는 까닭은 무엇인가 ?
☞ 시료의 열 에너지가 찬물로 이동했기 때문이다.

(6) 각각의 시료가 잃은 열량과 그 때의 물이 얻은 열량을 구해 보자.
☞ 단, 알루미늄, 철, 구리의 비열을 각각 C1, C2, C3라고 하자

시료
시료가 잃은열량
물이 얻은 열량
알루미늄
50.6×C1×(98.8-26.2)

1×0.25× (26.2-23.2)

철
60.8×C2×(98.8-25.0)

1×0.25× (25.0-23.2)

구리
40.2×C3×(98.8-24.2)

1×0.25× (24.2-23.2)

4. 탐구 정리
(1) 물이 얻은 열량을 이용하여 각 시료의 비열을 구하여 비교하여 보자.

☞ 50.6×C1×(98.8-26.2) = 1×0.25×(26.2-23.2)
C1 = 0.204Kcal/g℃
☞ 60.8×C2×(98.8-25.0) = 1×0.25×(25.0-23.2)
C2 = 0.100Kcal/g℃
☞ 40.2×C2×(98.8-24.2) = 1×0.25×(24.2-23.2)
C3 = 0.083Kcal/g℃

(2) 사용한 시료 중에서 1㎏을 1℃ 높이는 데 필요한 열량이 가장 큰 금속은 어느 것인가 ?

☞ 알루미늄

(3) 시료를 가열하여 온도가 모두 같도록 한 후, 공기 중에 두면 어느 금속이 가장 빨리 식는가 ?

☞ 구리

5. 연구 과제

(1) 고온의 물체와 저온의 물체가 접촉하여 열적 평형 상태에 이르면, 고온의 물체가 잃는 열량과 저온의 물체가 얻은 열량은 같다.

(2) 어떤 물질 1㎏을 1℃ 높이는데 필요한 열량을 비열이라고 한다. 비열의 단위는 ㎉/㎏℃ 또는 J/kgK를 사용한다.
절대온도(K)와 섭씨온도(℃)의 관계는 K = ℃ + 273이다.

(3) 같은 열량을 가할 때 비열이 클수록 온도 변화가 적고, 열을 빼앗길 때도 쉽게 식지 않는다.