온도와 함께 변하는 물리량
열적 현상의 정량적 수치인 온도는 다음과 같이 정의한다.
온도(temperature): 온도 눈금에 근거한 뜨거움 혹은 차가움의 척도(scale)[그림 1]
- 감각 정의: 인간이 뜨겁거나 차갑다고 느끼는 감각(sensation) 영역과 직접적으로 연관된 상대적 척도
- 상태 정의: 계와 환경이 서로 열평형을 이룬 '상태'에서의 척도값
- 에너지 정의: 물체를 구성하는 입자들의 미시적 활동의 종합적 영향을 나타낸 내부에너지(internal energy) 값
- 단위: 켈빈(K, SI 단위)
- 실생활 단위: 섭씨온도, 화씨온도
- 기호: T(Temperature)
온도는 온도계를 이용하여 측정되며, 현재는 매우 다양한 도구[그림 2]가 활용되고 있다.
열적 현상은 온도의 변화를 반드시 수반하는데, 이를 정량적으로 관측할 수 있게 하는 몇 가지 물리량이 있다.
- 금속막대의 길이(length of a steel rod)
- 증기압(vapor pressure)[그림 3]
- 전선의 전도능력(conductivity)
- 달궈진 물체의 색깔(colour)
온도계(thermometer): 온도나 온도 기울기(temperature gradient)를 재는 장치로, 온도계는 열평형(thermal equilibrium)의 원리를 이용한다.
열평형이란, 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 열이 이동해, 최종적으로 두 물체의 온도가 같아진 상태[그림 4]를 의미한다. 두 계의 온도가 같은 경우, 두 계는 열적으로 평형상태(열적평형상태)에 있다고 한다.
- 열(heat): 열에너지, 온도차에 의해 이동하는 에너지의 한 형태 cf. 열이란, 물체가 가진 특정한 형태의 에너지가 아니다.
- 열은 물체를 통해 이동하며, 열의 이동성에 따라 물체를 분류할 수 있다. 열에너지의 전달성에 따라, 물질은 크게 2가지로 분류된다.
- 전도체(electrical conductor): 열이 잘 통하는 물체 e.g. 각종 금속류
- 절연체(단열재, insulator, heat insulator): 나무나 스티로폼, 유리섬유와 같이 열을 거의 통하지 않는 물체 ⇒ 열에너지 전달이 낮을수록 이상적인 단열재로 취급된다. e.g. 아이스박스의 내부는 절연체로 이루어져 안에 있는 음식이 좀 더 오래 동안 시원하도록 보관할 수 있다.
- 정량적인 전도체의 열 전달수치는 열전도율(thermal conductivity)[표 1]로 나타낸다.
열역학 제0법칙
Zeroth law of thermodynamics
열역학 제0법칙: [그림 5]와 같이 계 A, B, C가 전도체와 단열재로 물리적 연결이 되어 있고, 계 C가 계 A와 계 B 모두와 각각 열평형을 이룬다면(온도가 같다면), 계 A와 계 B도 서로 열평형이다. 즉, 계 A와 B의 온도도 서로 같다.
원문참고: “If a body C, be in thermal equilibrium with two other bodies, A and B, then A and B are in thermal equilibrium with one another.” (Buchdahl, H.A., 1966)
- 어떠한 두 개의 계가 서로 온도가 같을 때만, 두 계는 서로 열평형도 이룰 수 있다.
온도계
Thermometer
온도계는 열역학 제0법칙을 응용해 온도를 측정한다.
온도계의 종류
- 수은온도계(mercury-in-glass thermometer): 프로이센의 물리학자 파렌하이트(Daniel G. Fahrenheit, 1686~1736)가 발명(1714)한 온도계, 온도에 따라 변하는 수은금속의 부피를 이용 ⇒ 온도가 올라가면 수은금속의 기둥 부피가 상승
- 등적기체온도계: 기체의 온도에 따라 변하는 증기압(vapor pressure)을 이용 ⇒ 일정한 부피용기에서 기체의 증기압은 온도가 올라감에 따라 비례하여 증가한다.
- 바이메탈온도계[그림 6]
바이메탈(bimetal): 두 금속을 서로 마주보게 붙인 금속체로 온도에 따라 변형정도가 서로 다른 물리적 특성을 이용한다.
원리: 바이메탈을 일정한 면적으로 가열하면 열팽창이 큰 금속이 작은 쪽보다 더욱 팽창하게 된다. 팽창한 금속판은 다른 금속판을 구부리게 되고 이러한 성질을 계기(계기판)표시에 활용[그림 7]한다.
- 저항온도계(resistance thermometer): 온도에 따라 전류의 저항값이 달라지는데, 일반적으로 온도가 높아질수록 금속의 저항이 커진다.
온도눈금[표 2]
화씨-섭씨 환산식
■
- 정의: 화씨 온도눈금의 섭씨 온도눈금 환산식
- 단위: ℃(도씨) e.g. 25 (섭씨 25도, 25도씨)
- 물리량
- T_C: 섭씨 온도눈금
- T_F: 화씨 온도눈금
섭씨-화씨 환산식
■
- 정의: 섭씨 온도눈금의 화씨 온도눈금 환산 식
- 단위: Ｆ(화씨) ⇒ e.g. 80 (화씨 80도)
켈빈(Kelvin)은 온도의 국제단위로 0켈빈은 ‘절대영도’를 가리킨다.
- 절대 영도(absolute zero): 이상 기체의 부피가 0이 되는 온도
섭씨-켈빈 환산식
■
- 물리량
- T_K: T, 켈빈 온도 눈금으로 단위는 켈빈 cf. 켈빈 도씨(degree)라고 읽지 않는다.
- T_C: 섭씨 온도
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