열량(Quantity of heat, Amount of heat)은 물체가 주거나 받는 열의 양을 뜻한다. 즉 에너지의 양이다.
물체에 열을 가하면 온도가 올라간다. 이때 가해진 열의 양이 열량이고 열량의 단위로는 보통 칼로리(calorie, cal로 줄여씀)를 사용한다. 칼로리는 1 g의 물을 1 ℃의 온도를 올리는데 필요한 열량이다. 열은 에너지이고 국제단위계에서 에너지의 단위는 줄(J)인데, 1 칼로리는 약 4.2 줄에 해당한다 (1 cal = 4.2 J). 음식물의 열량을 나타낼 때에는 1 cal는 너무 작아서 단위를 주로 kcal를 사용하고, kcal 대신 첫 글자에 대문자를 사용하여 Cal로 쓰기도 한다. 즉 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal이다. 1 g의 물을 1 ℃의 온도를 올리는데 필요한 열량을 1 cal로 정의하는데, 이 양은 실제 온도와 외부 기압에 따라 달라지는 값이기 때문에, 자세하게 들어가면 여러 가지 정의가 있다. 그 중 몇 가지 예를 들어보면 다음과 같다. 1기압에서 1 g의 물을 14.5 ℃에서 15.5 ℃로 올리는데 필요한 에너지로 정의할 때 cal15라 하고, 1기압에서 1 g의 물을 19.5 °C에서 시작하여 1 ℃ 올리는데 필요한 에너지를 cal20 한다. 또 1기압에서 1 g의 물을 0 °에서 100 °C까지 올리는데 필요한 열량의 1/100로 정의되는 calmean이 있다. 이 단위들은 조금씩 달라서, 각각의 cal를 줄로 환산하면, 1 cal15 = 4.18680 J, 1 cal20 = 4.18190 J, 1 calmean = 4.19002 J이다.
비열이 c이고 질량이 m인 물체의 온도를 ∆T만큼 올리는데 필요한 열량 Q는 Q=cm∆T로 주어진다. 비열은 단위질량만큼의 어떤 물질을 단위 온도만큼 온도를 증가시키는데 필요한 열량이므로, 비열에 물체의 질량과 올리는 온도차이를 곱하면 필요한 열량이 나온다.
열양의 크기
열량은 열에너지의 이동에 따른 변화량을 측정하여 알아낸다. 두 물체를 가열할 때 같은 질량의 물체이면 온도 변화가 큰 물체가 더 많은 열량을 얻은 것이며, 또 물체를 더 오랜 시간 가열할수록 물체는 더 많은 열량을 얻는다. 또 같은 온도일 때 질량이 큰 물체는 질량이 작은 물체보다 더 많은 열량을 전달할 수 있다. 예를 들어 차를 마시기 위하여 물을 가열하면 물은 열량을 얻는다. 이때 물이 얻게 되는 열량은 가열하는 시간에 비례한다. 즉 온도 변화가 클수록 더 많은 열량을 얻은 것이다. 또 온도 변화가 같다면 물 한 컵이 얻은 열량보다는 물 두 컵이 얻은 열량이 더 많다. 즉 질량이 클수록 더 많은 열량을 얻은 것이다.
열량 = 비열×질량×온도 변화
음식물의 열량
사람 몸을 유지하려면 음식물을 통하여 에너지를 공급하여야 한다. 보통 음식물이 줄 수 있는 에너지를 열량으로 표현하고 그 단위로 kcal (또는 Cal)나 국제단위계의 단위인 kJ을 쓴다. 음식물의 열량은 처음에는 밀폐된 장치에 음식물을 태운 후에 온도의 변화를 재어 측정하였다. 이 분야에서 미국의 화학자인 애트워터(Wilbur Olin Atwater, 1844-1907)는 선구자 역할을 하였다. 지금은 음식물의 열량은 애트워터 계수(Atwater coefficient)를 사용하여 계산한다. 에너지를 발생시키는 영양요소는 탄수화물, 지방, 단백질, 지방인데, 탄수화물은 1g당 4 kcal, 지방은 1g당 9 kcal, 단백질은 1g당 4 kcal으로 계산하는데, 이를 애트워터 계수라 한다. 알코올은 1 g당 7 kcal이다. 완전 연소할 때의 열량은 1g당 탄수화물은 4.1 kcal, 지방은 9.45 kcal, 단백질은 5.65 kcal인데, 보통 사람의 소화율은 탄수화물 98%, 지방 95%, 단백질 92%이므로 이것을 감안하여 얻어진 값이 애트워터 계수이다. 애트워트는 사람이 운동할 때 사용하는 열량에 대해서도 실험하였는데, 열량계를 크게 제작하여 그 안에서 사람이 활동을 하고 온도 변화를 측정하여 사용한 열량을 계산하는 방식이었다. 지금은 사람이 활동시 사용한 산소의 양을 이용하여 소비된 열량을 측정한다.
참고자료
같이 보기
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