열을 얻으면 상태가 변한다

야외에서 음식을 만들 때는 뷰테인 가스를 주로 사용한다. 음식을 만들고 난 후 뷰테인 가스통을 만져 보면 매우 차갑고 때로는 물방울이 맺혀 있기도 하다. 가스 버너 불꽃 가까이 있던 뷰테인 가스통이 뜨겁지 않고 오히려 더 차가워지는 이유는 무엇일까?

물을 가열하면 온도가 점차 올라가다가 더 이상 올라가지 않고 일정해진다. 계속해서 열에너지를 가하는데도 온도가 올라가지 않는 이유는 무엇일까? 이것은 가해준 열에너지가 물이 수증기로 기화하는 데 사용되기 때문이다. 물뿐만 아니라 모든 액체가 기화할 때 열에너지가 필요하다. 액체가 기체로 상태 변화할 때 흡수하는 열에너지를 기화열이라 하고, 기화하면서 일정하게 유지되는 온도를 끓는점이라 한다.

음식을 만들고 난 후에 뷰테인 가스통은 왜 차가워졌을까? 가스통 안에 액체 상태로 들어 있던 뷰테인은 연소되는 동안 계속 기화한다. 뷰테인이 기화할 때 필요한 열에너지를 뷰테인 가스통에서 얻기 때문에 뷰테인 가스통은 열에너지를 빼앗겨 차가워진다.

고체를 가열할 때 온도는 어떻게 될까? 액체를 가열할 때와 마찬가지로 온도가점점 올라가다가 일정해진다. 가해 준 열이 고체가 액체로 상태 변화할 때 사용되기 때문이다. 고체가 액체로 상태 변화할 때 흡수하는 열에너지를 융해열이라 하고, 융해하면서 일정하게 유지되는 온도를 녹는점이라 한다. 기화나 융해가 일어날 때 뿐만 아니라 고체가 기체로 승화할 때에도 열에너지를 흡수한다. 탐구 활동 ‘상태가 달라질 때 분자의 운동은 어떻게 달라질까?’에서 삼각 플라스크 속에 들어 있던 드라이아이스가 승화할 때 수조에 담긴 물의 온도가 내려간다. 이것은 드라이아이스가 승화하면서 수조에 담긴 물로부터 열에너지를 흡수했기 때문이다.

열을 잃어도 상태가 변한다

추운 겨울에 차가운 손을 따뜻하게 하기 위해 손난로를 이용한다. 액체가 들어 있는 손난로 안의 금속 조각을 똑딱거리면 갑자기 손난로가 따뜻해진다. 손난로 안에서는 무슨 일이 일어난 것일까?

물을 냉각하면 온도가 점차 내려가다가 더 이상 내려가지 않고 일정해진다. 그 이유는 무엇일까? 액체인 물이 고체인 얼음으로 상태 변화할 때는 융해할 때 흡수한 열에너지만큼을 주위로 방출하기 때문이다. 따라서 물이 어는 동안 온도가 내려가지 않고 일정하게 유지된다. 물뿐만 아니라 모든 액체가 응고할 때 열에너지를 방출하기 때문이다. 액체가 고체로 상태 변화할 때 방출하는 열에너지를 응고열이라 하고, 응고하면서 일정하게 유지되는 온도를 어는점이라 한다.

손난로가 따뜻해지는 이유는 무엇일까? 액체가 들어 있는 손난로 안의 금속 조각을 똑딱 거리면 갑자기 손난로 안의 액체가 고체로 상태 변화하면서 주위로 응고열을 방출한다. 따라서 손난로를 만지면 차가운 손이 따뜻해진다.
기체를 냉각할 때도 액체를 냉각할 때와 마찬가지로 온도가 점점 내려가다가 일정해진다. 기체가 액체로 상태 변화할 때는 기화할 때 주위에서 흡수한 열에너지만큼을 주위로 방출하기 때문이다. 그림은 열에너지 출입에 의해 물질이 어떻게 상태 변화하는지를 보여 준다.