상변화 열량 계산

상변화 열량이란

상변화 열량은 온도 변화 없이 물질의 상태만 바뀔 때 흡수하거나 방출하는 열이다.

얼음은 0℃에서 녹는 동안, 물은 100℃에서 증발하는 동안 온도가 그대로 머문다.

이 구간에 들어가는 열은 온도를 올리지 않고 상태를 바꾸는 데 쓰인다.

현열과 잠열

현열은 온도를 바꾸는 열이고, 잠열은 상태를 바꾸는 열이다.

현열은 Q=mcΔT로 구하며, 질량, 비열, 온도 변화를 곱한다.

잠열은 Q=mL로 구하며, L은 단위 질량당 잠열이다. 온도 변화가 0인 구간에 쓴다.

계산 문항에서는 상변화 여부를 먼저 확인하고 식을 고른다.

구간별 계산 절차

가열 문제는 구간을 나누는 것이 핵심이다. 얼음 가열부터 수증기 가열까지 다섯 구간이다.

온도가 변하는 구간은 현열, 온도가 머무는 상변화 구간은 잠열로 구한다.

표준 대기압에서 융해잠열은 334kJ/kg, 기화잠열은 2257kJ/kg이다.

모든 구간의 열량을 더하면 전체 가열 열량이 된다.

계산 예제

예를 들어 1kg의 -10℃ 얼음을 110℃ 수증기로 가열하는 열량을 구한다.

얼음 가열 21kJ, 융해 334kJ, 물 가열 418kJ, 기화 2257kJ, 수증기 가열 20kJ이다.

합계는 3050kJ이다. 잠열 두 구간이 전체의 약 85%를 차지한다.

잠열 두 구간만 더하면 얼마인지 직접 풀어 보자.

헷갈리는 점

첫째, 상변화 구간을 현열 구간으로 잘못 계산하는 실수다.

0℃에서 얼음이 녹는 동안 온도는 변하지 않으므로 잠열 식 Q=mL로 계산한다.

둘째, 구간을 하나라도 빠뜨리면 총열량이 틀린다.

셋째, kcal와 kJ를 섞으면 안 된다. 1kcal는 약 4.186kJ로 환산한다.

넷째, ΔT는 나중 온도에서 처음 온도를 뺀 값이다. -10℃에서 0℃까지는 ΔT가 10K이다.

정리

정리하면, 상변화 열량은 현열과 잠열을 구간별로 더해 구한다.

온도가 변하는 구간은 Q=mcΔT, 상이 변하는 구간은 Q=mL로 계산한다.

융해잠열은 334kJ/kg, 기화잠열은 2257kJ/kg이다.

답안에는 사용한 값과 압력 조건을 함께 적는다.