온도의 개념과 여러 가지 온도계

온도

물질의 뜨겁고 차가운 정도를 특정 눈금으로 측정해 나타낸 것입니다. 온도의 개념은 서로 닿아 있으면서 온도가 서로 다른 두 물체 사이에 흐르는 열과 깊은 관련이 있습니다. 열은 항상 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐릅니다. 온도는 온도계로 측정하는데, 온도계에 매겨진 눈금은 뜨거움의 정도를 나타냅니다. 일전적으로 쓰이는 온도 체계는 섭씨온도와 화씨온도입니다. 모든 온도 체계에서 쓰이는 온도는 1990년에 합의한 국제 온도 눈금을 기초로 하고 있습니다. 과학자들은 종종 열역학적 온도를 이야기합니다. 열역학적 온도란, 물질의 성질과는 전혀 관계없는 물리적 성질입니다. 열역학적 온도의 단위는 켈빈(K)입니다. 거의 모든 나라 과학자들이 켈빈 온도를 이용합니다. 모든 온도는 물의 삼중점인 273.16K를 기준으로 삼습니다. 이 온도에서는 물과 얼음, 그리고 수증기가 함께 존재합니다. 일반적으로 온도는 얼음의 녹는점에서 얼마나 차이가 있느냐로 나타냅니다. 1 기압에서 얼음은 물의 삼중점보다 0.01K만큼 낮은 온도에서 녹습니다. 온도는 얼마든지 높아질 수 있습니다. 과학자들은 태양 중심부의 온도가 1500만 ℃에 이를 것으로 추정합니다. 태양보다 더 큰 별의 내부 온도는 이보다 훨씬 더 높을 것입니다. 반면에 온도는 얼마든지 낮아질 수는 없는데, 가장 낮은 온도를 절대 영도라고 하며 그 온도는 -273.15℃입니다. 이 온도에서는 물질을 이루는 분자와 원자의 에너지가 가장 낮습니다.

 

 

온도계

기체나 액체, 고체의 온도를 측정하는 도구입니다. 물질의 온도가 변함에 따라 물질이 지닌 화학적·물리적 성질도 변합니다. 예를 들면, 물질의 색깔이나 모양 또는 부피가 변할 수 있습니다. 온도계는 이러한 변화 중 하나를 측정해 그 변화량을 수치로 나타내며, 이 수치를 적절한 온도 눈금을 이용해 온도 값으로 나타냅니다. 그러한 온도 눈금에서는 화씨온도, 섭씨온도, 절대온도 등이 있습니다. 온도계는 크게 열팽창 온도계, 열전쌍 온도계, 저항 온도계, 복사온도계, 액정 온도계 등 다섯 종류로 나눌 수 있습니다.

 

열팽창 온도계

가장 간단하고 널리 알려진 온도계입니다. 온도 변화에 따른 물질의 부피 변화를 측정하며, 가장 오래된 것은 공기 온도계입니다. 공기 온도계는 유럽의 과학자들이 16세기와 17세기 초에 처음으로 이용했습니다. 공기 온도계는 한쪽 끝이 열려 있는 유리관 속의 공기 기둥 길이를 측정함으로써 온도를 측정하는데, 열려 있는 유리관 끝은 물이 채워진 그릇 속에 담겨 있습니다. 온도가 변함에 따라 유리관 속에 있는 공기의 부피가 늘어나거나 줄어들고, 이에 따라 유리관 속에서 물의 높이가 내려가거나 올라갑니다. 따라서 공기 기둥의 길이가 변하고, 이를 측정해 온도를 계산할 수 있습니다. 17세기 중반에 공기온도계는 더 정확한 액체 온도계로 대체되었습니다. 액체 온도계는 지금도 요리를 하거나 체온을 측정하는 등 많은 용도로 쓰이고 있습니다. 액체 온도계는 아주 가늘고 밀봉된 유리관 속에 액체가 채워져 있어, 이 액체의 온도가 올라가면 액체는 팽창하면서 가는 관을 따라 올라갑니다. 액체 기둥의 높이에 따라 유리관에 온도 눈금이 새겨져 있습니다. 유리관 속에 넣는 액체로는 수은이나 알코올이 많이 쓰입니다. 그 밖의 열팽창 온도계는 바이메탈 온도계와 충만식 온도계가 있습니다. 바이메탈 온도계는 두 종류의 금속 조각으로 만든 띠로 이루어져 있으며, 각각의 금속을 서로 붙여 코일처럼 감아 놓았습니다. 온도가 올라가면 바이메탈 띠를 이루는 각각의 금속이 서로 다른 비율로 팽창하므로, 온도에 따라 바이메탈 띠가 휘어지는 정도가 달라집니다. 충만식 온도계는 금속관으로 이루어져 있는데, 이 금속관은 유연성이 있고 휘어져 있으며, 그 안에 기체나 액체로 채워져 있습니다. 온도가 올라가면 금속관에 들어 있는 기체나 액체가 팽창하고, 기체나 액체의 늘어난 부피만큼 금속관의 휘어진 정도가 변하게 됩니다. 바이메탈 온도계와 충만식 온도계에서는 온도계의 한쪽 끝이 움직여서 온도계에 새겨진 온도 눈금을 따라 표시장치를 움직이게 합니다. 산업 현장에서는 두 온도계가 모두 널리 쓰이고 있습니다.

 

열전쌍 온도계

서로 다른 두 종류의 금속선으로 이루어져 있습니다. 두 금속선은 양 끝이 서로 붙어 접점을 이루고 있으며, 한 선은 전압계에 붙어 있습니다. 두 접점의 온도가 서로 다를 때, 두 선 사이에 전압이 발생하고, 두 접점 사이의 온도차가 클수록 전압의 크기도 증가합니다. 그러면 전압계가 이 전압을 측정해 수치로 나타내며, 이것을 온도값으로 바꾸어 나타낼 수 있습니다. 산업 현장에서는 열전쌍 온도계가 많이 쓰이고 있는데, 다른 온도계보다 훨씬 넓은 범위의 온도를 잴 수 있습니다.

 

저항 온도계

 물질의 전기저항을 측정해서 온도를 나타냅니다. 온도가 변하면 물질의 전기저항도 변합니다. 대개 온도 변화가 커짐에 따라 저항의 변화량도 커집니다. 저항 온도계는 전류가 잘 통하는 도체나 반도체의 저항을 측정하며, 그러한 물질의 예로는 구리·백금·규소를 비롯해 많은 금속화합물이 있습니다. 저항 온도계는 이렇게 측정한 저항값을 온도값으로 바꾸어 나타냅니다. 저항 온도계 역시 산업 현장에서 널리 쓰이고 있습니다.

 많이 쓰이는 저항 온도계로 서미스터가 있는데, 보통 전선 연결부에 붙어 있는 작은 반도체로 이루어져 있습니다. 서미스터는 건전지로 작동되는 디지털 온도계에도 쓰이며, 디지털 온도계는 온도 값을 화면에 숫자로 나타냅니다.

 

복사온도계

 고온계라고도 하며 전자기 복사를 측정해서 온도를 나타냅니다. 모든 물질은 온도에 따라 전자기 복사를 내놓으므로 이 전자기 복사를 측정하면 온도를 알 수 있습니다.

 복사온도계에는 많은 종류가 있습니다. 얼리 쓰이는 것 중의 하나가 적외선 온도계로, 적외선 복사를 감지하는 전기 감지 장치가 들어 있습니다. 이렇게 측정한 적외선 복사의 세기를 온도로 바꾸어 나타냅니다. 적외선 온도계는 체온을 재는 데에도 쓰이는데, 이 온도계는 고막에서 나오는 적외선을 감지해 온도를 측정합니다. 온도값은 디지털 방식으로 나타냅니다.

 

액정 온도계

 액체와 고체의 성질을 모두 가지고 있는 액정이라는 물질을 이용해 온도를 측정합니다. 어떤 액정은 온도가 변하면 색깔도 변하는데, 이 색깔 변화를 온도로 나타낼 수 있습니다. 액정 온도계에는 여러 가지 형태사 있는데, 대부분 가는 테이프에 액정을 첨가해 이용합니다. 액정 온도계는 수족관의 수온을 재거나 체온을 재는 데 쓰입니다.