온도란 물질이 갖는 열적 상태를 나타내는 물리량으로, 열의 흐름과 에너지 상태를 결정하는 중요한 요소입니다. 쉽게 말해, 물체가 얼마나 뜨겁거나 차가운지를 수치로 나타낸 값입니다.
인간은 더 뜨겁거나 더 차가운 것, 즉 상대적인 온도 차는 잘 감지할 수 있지만 조그마한 온도차는 감지하기 어렵습니다. 조그마한 온도차를 측정하기 위해 온도계가 발명되었고, 화씨, 섭씨, 켈빈 온도 단위가 생기게 되었습니다.
지금은 도씨와 켈빈만이 국제 공용의 온도단위로 사용되고 있습니다. 국제 공용으로는 잘 사용하지 않는 온도 단위인 화씨온도 (degree Fahrenheit, ℉) 단위는 네델란드의 유리 세공업자였던 화렌 하이트가 수은 유리 온도계를 최초로 발명하면서 사용했던 온도단위이며, 화렌 하이트의 중국식 발음에 가까운 한자어를 한국에서 사용하면서 화씨가 되었습니다. 화렌 하이트는 당시의 기술로 도달 가능한 최저 의 온도를 0 도로 하는 온도눈금을 제안하였습니다. 개념적으로는 켈빈 온도와 같았던거죠. 화렌 하이트가 수은 유리 온도계에 부여한 온도 눈금을 위한 온도 고정점은 아래의 3개입니다.
- 얼음, 물 및 암모늄 크로라이드 (ammonium chloride) 를 혼합하여 0 도로 한다.
- 얼음과 물을 섞어서 32 도로 한다.
- 인간의 체온을 96 도로 한다.
아직도 왜 화렌하이트가 저런 3개의 온도 고정점을 택했는지는 확실히 모릅니다. 추측으로는 당시 온도 측정은 기온 측정이 목적이었고 기온의 음수 개념을 적용하는데 심리적 거부감이 있어 기온이 음수가 나오지 않게 하기 위해서라는 설이 있습니다.
섭씨는 스웨덴의 천문학자이자 물리학자인 셀시우스 (A. Celsius)에 의해 제안되었습니다. 물의 끓는 온도를 0 도로 하고 얼음의 녹는 온도를 100 도로 정한 뒤 두 온도 고정점 사이를 균등하게 100 등분한 것이 온도단위 섭씨 [℃ , 섭씨] 입니다. 1744년 셀시우스가 사망한 후, 셀시우스의 친구이자 동료 과학자였던 스트뢰머 (M. Strømer)가 위 두 온도 고정점의 값들을 서로 뒤바꾸었습니다. 얼음의 녹는 온도는 0 도, 끓는 온도는 100 도. 그렇게 오늘날 사용되고 있는 섭씨 온도 눈금이 정립 되었습니다.
켈빈 온도는 벨파스트 (Belfast)에서 태어난 톰슨 (William Thomson)에 의해 정립되었습니다. 그는 후에 스코틀랜드에 있는 그래스고 대학 (University of Glasgow)의 자연철학 교수로 재직하였고, 탁월한 연구업적으로 직위를 부여받아 켈빈경 (Lord Kelvin)이 되었습다. 켈빈은 열역학적 순환과정인 카르노 사이클 (Carnot cycle)연구를 통해 열효율이 작업물질(working substance)에 관계없이 두 개의 온도에만 관계하기 때문에 온도의 눈금을 정의할 수 있다고 생각했습다. 즉 어떤 한 온도의 열역학적 온도 값을 정해주면 다른 한 온도의 열역학적 온도를 결정해 줄 수 있다는 것입니다.
따라서 열역학적 온도 눈금은 두 온도 고정점 사이의 열역학적 온도차이 또는 어떤 온도 고정점 하나 (이 때는 “절대 영도” 가 다른 하나의 기준이 됩니다)의 열역학적 온도를 정의하여 표현하는 온도눈금입니다.
화씨, 섭씨, 켈빈 온도를 물의 어는 점, 끓는 점, 절대영도로 비교해보면 아래와 같습니다.
- 물의 어는점 : 0°C = 32°F = 273.15K
- 물의 끓는점 : 100°C = 212°F = 373.15K
- 절대영도 : -273.15°C = -459.67°F = 0K
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