비열 물질이 상태변화할 때 변하는 이유
비열은 물질의 성질이잖아요. 근데 물질이 상태 변화하면 비열이 달라지잖아요 물과 얼음과 수증기의 비열이 다른 것처럼
근데 같은 물질이라면 상태가 변해도 성질이 달라지지 않는다고 배웠는데 비열은 물질의 성질임에도 불구하고 물질이 상태변화하면 변하는 이유가 뭔가요
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
비열은 분자의 운동 자유도와 상호작용 에너지에 의해 결정되는 물리적 성질입니다. '성질이 변하지 않는다'는 말은 화학적 성질에 해당하며, 물리적 성질은 상태에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 같은 물질이라도 고체, 액체, 기체 상태에 따라 분자 배열과 운동 방식이 달라져 비열 값이 달라집니다.
안녕하세요.
질문해주신 것처럼 물질의 비열은 물질 고유의 성질이 맞지만 그 성질은 입자들이 어떤 상태, 즉 고체·액체·기체로 배열되어 있고 서로 어떻게 상호작용하느냐에 따라 달라지는 성질입니다. 따라서 같은 물질이라도 상태가 바뀌면 내부 구조와 에너지 저장 방식이 완전히 달라지기 때문에 비열이 바뀌는 것이 자연스러운 현상입니다.
비열은 물질이 열을 흡수할 때 온도가 얼마나 쉽게 변하는지를 나타내는 물질의 열역학적 성질이지만, 이 값은 단순히 물질의 정체성만으로 결정되는 것이 아니라 입자들이 어떤 배열을 이루고 어떤 종류의 자유도를 갖고 있는지에 의해 결정됩니다.
고체, 액체, 기체는 같은 종류의 분자로 이루어져 있어도 상태에 따라 분자 간 상호작용의 강도, 배열의 고정성, 분자 운동의 양상이 크게 달라지는데요 예를 들어 얼음에서는 분자들이 견고한 수소결합 네트워크 속에 고정되어 있어 주어진 열이 주로 진동 에너지 증가에 쓰이지만, 물에서는 이 결합이 느슨해져 분자 이동과 배열 변화에 더 많은 에너지가 필요하므로 같은 온도 변화를 일으키는 데 더 큰 비열이 요구됩니다. 기체에서는 분자 간 결합이 거의 사라지고 병진·회전 운동 자유도가 크게 증가하여 열이 더 넓은 형태의 운동 에너지로 분산되기 때문에 비열이 다시 달라지게 됩니다. 이처럼 비열은 물질의 정체성만으로 정해지는 고정된 불변의 성질이 아니라, 그 물질이 어떤 상에서 어떤 미시적 구조와 운동 자유도를 가지느냐에 따라 달라지는 상태 의존적 성질입니다. 감사합니다.