온도
1. 개요
'''온도(temperature)'''(溫度)란 뜨거운 정도, 혹은 차가운 정도를 숫자로 나타낸 것을 말한다.
2. 단위
전세계적으로 자주 쓰이는 온도의 단위로는 셀시우스도($$\rm\degree\!C$$, 섭씨(攝氏)온도), 파렌하이트도($$\rm\degree\!F$$, 화씨(華氏)온도), 그리고 켈빈($$\rm K$$)[1]이 있다. 켈빈을 제외한 모든 단위 표기에서 $$\degree$$는 '간격'을 의미하며, 기준이 되는 두 측정값을 $$n$$등분한 것이 단위 수치 $$1$$임을 의미한다. 요컨대 각도의 $$1\degree$$가 시초선을 기준으로 한 $$1$$회전(또는 $$n+1$$회전과 $$n$$회전의 차)의 $$360$$등분인 것처럼, $$\degree$$가 붙은 단위들은 정의에 기준이 되는 두 기준점이 따로 존재한다(후술). 이에 반해 켈빈은 열역학적으로 물질의 종류를 막론하고 그 물질이 가진 에너지가 $$\rm0\,J$$이 되는 절대적인 기준점(절대영도)을 바탕으로 짜여진 온도 체계이기 때문에 $$\degree$$ 기호가 붙지 않는다.[2]
$$\rm\degree\!C$$와 $$\rm\degree\!F$$는 서양에서 단위를 가리키는 명칭이 하나밖에 없기 때문에 표기를 그대로 읽는 것과는 달리, 한자 문화권에서는 별도의 한자 명칭이 주로 쓰이고 눈금 체계를 먼저 읽는다는 특징이 있다. 이를테면 $$25\,\rm\degree\!C$$, $$77\,\rm\degree\!F$$를 각각 서양에서 '25도 셀시우스(25 degree celsius)', '77도 파렌하이트(77 degree fahrenheit)'라고 읽는 반면 동양에서는 '섭씨($$\rm C$$) 25도', '화씨($$\rm F$$) 77도'로 읽는다.[3]
심지어 문맥상 온도를 뜻한다는 것이 명확하고 어떤 온도 체계를 쓰는지 굳이 얘기하지 않아도 된다면 동서양을 막론하고 눈금 체계를 생략하고 단지 '~도(~degree)'만 읽기도 한다. 특히 화씨는 세계적으로 영향력이 막강한 미국에서 쓰는 단위인지라 섭씨나 화씨를 생략해서 소통에 애로사항이 꽃피는 경우가 종종 있다. 학습 만화에서도 소재로 다뤄질 정도.
요컨대 외국인은 '(화씨) 90도'를 의도한 건데 조선인은 '(섭씨) 90도'로 오해한 것이다. 화씨온도 체계는 물의 어는점이 $$\rm32\,\degree\!F$$, 끓는점이 $$\rm212\,\degree\!F$$로 섭씨온도 체계에 비해 수치도 크고 간격도 크기 때문에 특히 기온을 얘기할 때 뭔가 감각적으로 이상하다 싶으면 십중팔구 단위가 문제인 것이다. 참고로 $$\rm90\,\degree\!F \fallingdotseq 32.2\,\degree\!C$$이고, $$\rm90\,\degree\!C = 194\,\degree\!F$$이다.
이 밖에도 오늘날엔 사실상 쓰이지 않는 단위들이 있는데 낮은 인지도를 반영하듯 이들은 단위 특수 문자도 할당이 안 돼있다. 만들어진 시기의 순서대로 나열하면
- 뉴턴도($$\rm\degree\!N$$, 1700년경)
아이작 뉴턴이 고안했다. 물의 어는점을 $$\rm0\,\degree\!N$$ 끓는점을 $$\rm33\,\degree\!N$$으로 정의한다. 이렇게 괴랄한 간격이 쓰인 이유는 온도계를 만들 때 아마씨의 기름을 썼기 때문이다. 참고로 온도에 따른 액체의 부피 변화를 이용한 아날로그식 온도계로서는 사상 최초이며 thermometer(온도계)라는 단어도 이때 만들어졌다. 다빈치 코드로 유명한 댄 브라운의 로스트 심벌에서 나와서 인지도가 제법 있다. 중국어로는 뉴턴을 음차한 우돈(牛顿[5]; 牛頓)이라고 한다.
- 뢰머도($$\rm\degree\!R\text\o$$, 나씨(羅氏), 1701)
덴마크의 천문학자 올레 크리스텐센 뢰머(Ole Christensen Rømer, 1644~1710)[6]가 고안했다. 물의 어는점을 $$\rm7.5\,\degree\!R\text\o$$, 끓는점을 $$\rm60\,\degree\!R\text\o$$로 정의한다. 어는점이 어중간한 이유는 처음에 소금물(brine)[7]의 어는점을 $$\rm0\,\degree\!R\text\o$$라고 정의했기 때문이다.
- 레오뮈르도($$\rm\degree\!R\acute e$$, 열씨(列氏), 1730)
프랑스의 물리학자 르네 앙투안 페르숄 드 레오뮈르(René Antoine Ferchault de Réaumur, 1683~1757)가 고안했다. 물의 어는점을 $$\rm0\,\degree\!R\acute e$$, 끓는점을 $$\rm80\,\degree\!R\acute e$$로 정의한다.
- 들릴도($$\rm\degree\!D$$, 1732)
프랑스의 천문학자 조제프 니콜라 들릴(Joseph-Nicolas Delisle, 1688~1768)이 고안했다. 물의 끓는점을 $$\rm0\,\degree\!D$$, 어는점을 $$\rm150\,\degree\!D$$로 정의한다.[8] 중국어로는 들릴을 음차한 덕리이(德利尔[9]; 德利爾)라고 한다.
- 웨지우드도($$\rm\degree\!W$$, 18세기)
영국의 도공 조지아 웨지우드(Josiah Wedgwood, 1730~1795)가 고안했다. $$\rm1077.5\,\degree\!F \fallingdotseq 580.8\,\degree\!C$$를 $$\rm0\,\degree\!W$$로, $$1$$눈금의 간격을 $$\rm130\,\degree\!F \fallingdotseq 54\,\degree\!C$$로 정의했었다. 이런 이상한 체계를 만든 이유는 당시 최고 온도를 측정할 수 있는 온도계가 수은 온도계밖에 없었는데, 이마저도 수은의 끓는점인 $$\rm356\,\degree\!C$$가 측정 한계였고 특히 그 자신이 도공이었던 만큼 도자기나 유리 제조, 야금술 등 수은 온도계의 한계치를 훌쩍 뛰어넘는 분야에서는 쓸 수 없다는 문제가 있었기 때문이다. $$\rm0\,\degree\!W$$를 정의할 때 점토를 적열(赤熱)온도보다 높은 온도에서 가열하여 소결(shrinking)이 시작되는 온도를 기준으로 삼았는데 훗날 루이 베르나르 귀통 드 모르보(Louis-Bernard Guyton de Morveau, 1737~1816)에 의해 기준점 및 간격이 부정확한 것이 밝혀져 $$\rm0\,\degree\!W = 517\,\degree\!F \fallingdotseq 269\,\degree\!C$$로, $$1$$눈금은 $$\rm62.5\,\degree\!F \fallingdotseq 16.9\,\degree\!C$$로 수정되었으나 이마저도 부정확한 것으로 밝혀졌고, 아예 파이로미터(pyrometer)가 개발되면서 웨지우드도는 완전히 버려졌다.
- 랭킨도($$\rm\degree\!R$$, 난씨(蘭氏), 1859)
영국 스코틀랜드의 공학도이자 물리학자인 윌리엄 존 머퀀 랭킨(William John Macquorn Rankine, 1820~1872)이 고안한 체계로, 셀시우스도 - 켈빈의 관계를 화씨에 적용한 것이다. 즉 $$1$$눈금의 간격은 화씨와 동일하고(셀시우스도의 1.8배) $$\rm0\,K = 0\,\degree\!R$$로 정의한다. $$\rm0\,\degree\!C = 32\,\degree\!F$$, $$\rm0\,K = -275.15\,\degree\!C$$이므로 환산하면 $$\rm0\,\degree\!R = -459.67\,\degree\!F$$가 된다. 이에 따라 물의 어는점은 $$\rm491.67\,\degree\!R$$이며 끓는점은 $$\rm671.67\,\degree\!R$$가 된다.
이 밖에도 네덜란드의 라이덴에 위치한 저온 연구소에서 독자적으로 썼었다고 알려진 라이덴(Leiden)도도 있으나, 공식적으로 쓰인 단위는 아닌 듯 자료가 거의 남아있지 않다.[10] 참고로 셀시우스도, 파렌하이트도, 켈빈은 각각 1742년, 1724년, 1848년에 최초로 고안되었다.2.1. 단위 환산식
아래 온도 환산식에서 $$T_{\rm X}$$는 $$\rm X$$를 단위로 하는 온도를 나타내는 물리량 기호이고, $$\dfrac{T_{\rm X}}{\rm X}$$는 각 온도 체계에서 단위를 뗀 수치를 의미한다.[11] 폐기된 웨지우드도, 진위가 불분명한 라이덴도는 표에서 제외하였다.
3. 학문
좀 더 파고들어가면 열역학을 만날 수 있다. 여기서는 물리학 영역이 되며 운동 에너지나 엔트로피까지 엮인다. 엔트로피 자체가 물질계의 열적 상태를 나타내는 말이라. 이 열역학에서 말하는 온도의 정의는 분자의 운동 에너지의 평균을 통계로 나타내 수량화한 것이다. 좀 더 자세히 말해보자면 열 평형 상태의 분자의 운동 에너지를 엔트로피 통계치로 미분하여 얻어낼 수 있는 값이다. 근데 또 자연계에서 열 평형 상태라는게 쉽게 일어날 수 있는 현상이 아니라서 또 이대로라면 정확한 온도를 측정할 수 없다.
'''기체의 분자 운동론'''에 의하면 절대 온도는 곧 기체 분자의 운동 에너지가 된다. 반면 열은 그 '에너지'[12]를 '다른 물체한테' 얼마나 잘 전해줄 수 있는지로 정의되기에, 이에 따르면 '''온도는 높은데 뜨겁지 않은''' 것이 가능하다.[13][14] 즉 온도가 높다고 반드시 뜨거운 것은 아니다. 단순히 건식 사우나를 생각해보면 알 수 있다. 건식 사우나는 온도가 80℃ 이상 올라가기도 하지만 공기의 열 전도율과 열 용량이 매우 낮아 온도에 비해 뜨겁지 않다.
분자의 운동 에너지의 정도가 온도를 결정하므로, 온도에는 하한선이 있는데, 이 분자 운동이 멈추는 상태를 절대영도라고 한다. 섭씨 온도로 나타내면 -273.15℃. 절대영도가 혹 가능하다면 영구기관도 가능하다고 하지만 이 경우 불확정성 원리에도 위배된다고. 또 불확정성 원리에 의하면 절대영도라도 분자의 운동이 아예 멈추는 건 아니라고 한다.[15]
또한, 절대영도의 반대 개념 비슷한 것으로 플랑크 온도라는 것이 존재한다. 양자역학 상 이론적 온도의 최댓값으로, 현대 과학에서 이 이상의 온도를 다루는 것은 무의미하며, 모든 물질이 원자 이하의 단위로 나누어져 에너지가 되는 온도이다. 약 1.4×1032켈빈[16]으로, 빅뱅 우주론에서 빅뱅 이후 플랑크 시간까지의 온도에 해당한다고.[17]
가끔 온도와 열을 같은 용어로 생각하는 사람들이 있는데 둘은 다르다. 온도는 측정 단위이며 열은 측정 대상이다. 열을 수치화한 것이 온도인 것.[18] 물론 일반적으로 쓰이는 '열'과 '온도'의 차이는 그렇고 좀 더 깊이 들어가면 온도는 한 열역학적계 내부의 분자 활동의 정도를 수치화한 것이며(이 분자 활동이 멈추는 온도가 바로 절대영도다.) 열은 에너지가 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하는 현상이다.
측정학(metrology)에서 온도의 차원#측정학 기호는 $$\sf\Theta$$[19]이다.
3.1. 온도에 관한 기록들
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4. 기타
온도를 측정하는 도구로 온도계가 있다.
날씨를 말할 때 체감 온도란 말을 쓰는데 온도, 풍속, 일사량 등에 따라 인체가 느끼는 더위와 추위를 수량으로 나타낸 것을 말한다. 우리나라 기상청에서는 2001년 8월 캐나다 토론토에서 열린 Joint Action Group for Temperature Indices(JAG/TI) 회의에서 발표된 체감온도식을 사용하고 있다. 그 식은 원래 온도가 섭씨 Ta도일 때, 풍속이 시속 Vkm일 때 다음과 같다.
$$T_{wc} = 13.12 + 0.6215 T_a - 11.37 V^{0.16} + 0.3965 T_a V^{0.16}$$
일부 게임에서는 이 요소가 등장한다.
레알팜 - 작물의 생육에 적합한 온도를 조성해줘야 한다. 1℃만 높아도 생육게이지가 떨어질 수 있다.
스포어 - 우주단계에 진입하면 행성을 테라포밍 하기 위해 온도를 적절히 맞춰야 한다. 그록스를 사냥하고 싶을때도 온도를 조절하면 된다. 이 게임에서는 온도가 ℃로 표기되지 않고, 온도/대기압 그래프 상에 표시된다.
스포어 - 우주단계에 진입하면 행성을 테라포밍 하기 위해 온도를 적절히 맞춰야 한다. 그록스를 사냥하고 싶을때도 온도를 조절하면 된다. 이 게임에서는 온도가 ℃로 표기되지 않고, 온도/대기압 그래프 상에 표시된다.
5. 관련 문서
[1] 중화권에서는 '켈빈'을 开尔文(kāi'ěrwén; 카이얼원)이라고 쓰기 때문에 '개씨(开氏; 開氏)온도'라고도 한다. 대만에서는 한자만 다른 凱氏로도 쓴다.[2] 처음 정의될 당시엔 켈빈의 눈금 간격이 섭씨와 같다고(즉 섭씨가 기준) 정의가 됐었기 때문에 과거에는 $$\rm\degree\!K$$으로 표기했던 역사가 있었으나#, 이후 켈빈의 눈금 간격을 물의 삼중점의 $$\dfrac1{273.16}$$로 정의하기로 수정되면서 $$\degree$$의 사용에 대한 재고가 이루어져 $$\rm K$$이 표준이 되었다.# 참고로 2019년 SI 기본 단위들의 정의가 다시 수정됨에 따라 켈빈은 볼츠만 상수를 이용해서 정의되는 것으로 바뀌었다.[3] $$\rm\degree\!C$$를 영어 알파벳 읽듯이 '도씨'로 읽는 경우도 있긴 하다. 같은 맥락으로 $$\rm\degree\!F$$를 '도에프'라 읽을 수 있겠으나 화씨가 애초에 한국에서 잘 안 쓰이는 단위다보니 저렇게 읽는 경우를 접하기는 어렵다.[4] 참고로 이 콤비(?)는 같은 책 조금 앞부분의 미터법 소개에서 척관법과 야드파운드법을 고수하다 결투 직전까지 간다.[5] Niúdùn; 니우뚠[6] 덴마크어의 외래어 표기법에 따르면 '뢰메르'지만 현지 발음은 '뢰머'에 가까우므로 '뢰머'로 표기.[7] 음식을 절일 때 쓰는 소금물을 말한다.[8] 여담으로 셀시우스가 처음 셀시우스도를 고안했을 때에도 끓는점이 $$\rm0\,\degree\!C$$, 어는점이 $$\rm100\,\degree\!C$$였는데 후대에 바뀐 것이다.[9] Délì'ěr 떠리얼[10] 위키피디아에서는 $$\rm\degree\!L$$이라는 기호를 쓰고 있고 수소와 산소의 끓는점을 각각 $$\rm0\,\degree\!L$$, $$\rm70\,\degree\!L$$로 정의한다고 나와있으나 진위는 확실치 않다. 특히 $$\rm\degree\!L$$이라는 기호에 대한 출처가 전무하다.[11] (물리량)$$=$$(수)$$\times$$(단위)이기 때문에 단위가 다른 두 물리량 사이의 관계식을 쓸 때에는 무차원의 수로만 나타내야한다. 즉, 물리량을 단위로 나눈 것을 써야 하며 처음 보기에 어색하지만 이 표현이 단위가 다른 두 물리량의 관계식에서 차원#측정학을 일치시킨 정확한 표기이다. 계산할 때에는 물리량에 수치만 대입하는 것이 아니고 단위까지 같이 대입해서 계산한다. 이를테면 섭씨 → 화씨 환산에서 $$T_{\rm\degree\!C} = 25\,\rm\degree\!C$$라고 할 때, $$\dfrac{T_{\rm\degree\!F}}{\rm\degree\!F} = \dfrac95\dfrac{25\,\cancel{\rm\degree\!C}}{\cancel{\rm\degree\!C}}+32 = 45+32 = 77$$이므로 $$T_{\rm\degree\!F} = 77\,\rm\degree\!F$$와 같이 계산한다.
단, '''두 물리량이 상수배 관계일 때에는 단위만을 대응시킨 약식 표기가 가능'''하다. 이를테면 셀시우스도 → 뉴턴도의 관계는 $$\dfrac{T_{\rm\degree\!N}}{\rm\degree\!N} = \dfrac{33}{100}\dfrac{T_{\rm\degree\!C}}{\rm\degree\!C}$$인데 양변에 역수를 취하고 물리량을 한쪽으로 이항하면 $${\rm\degree\!N} = \dfrac{100}{33}\,{\rm\degree\!C}\,\dfrac{T_{\rm\degree\!N}}{T_{\rm\degree\!C}}$$가 된다. 여기에서 $$T_{\rm\degree\!N}$$, $$T_{\rm\degree\!C}$$는 단위가 다르다는 것을 명시하기 위한 것일뿐 본질적으론 같은 것을 나타내는 물리량이므로 $$\dfrac{T_{\rm\degree\!N}}{T_{\rm\degree\!C}} = 1$$이고 따라서 $$1\,{\rm\degree\!N} = \dfrac{100}{33}\,{\rm\degree\!C} \Longleftrightarrow 1\,{\rm\degree\!C} = \dfrac{33}{100}\,{\rm\degree\!N}$$로 간단하게 나타낼 수 있다.[12] 엄격하게 정의하자면 그 물체를 이루는 모든 분자들의 운동 에너지 총합.[13] 예를 들어 지구 대기의 열권 같은 경우 온도는 섭씨 2,000도까지 올라가는데, 물론 열권에 있으면 얼어 죽는다. [14] 비유하지면 일종의 소수 정예. 질은 높지만 수가 부족해 전체 합은 낮다. 1짜리 1000개보다 10짜리 10개가 평균은 10배나 되지만(온도가 높다.) 총합은 10분의 1이다(전체 열은 적다.).[15] 엄밀하게 말하자면 운동 에너지가 가장 낮아질 수 있는 상태는 0보다 높다. (단순 조화 진동자 참고) 운동 에너지가 0이 될 수 없기 때문에 운동 에너지가 0인 상태를 가정한 절대영도 또한 도달할 수 없다.[16] 10의 32승은 구라고 부른다. 플랑크 온도는 1구 4천 양 가량인 셈.[17] 영어로된 유튜브 링크[18] 2016학년도 6월 모의평가 영어 영역에서 38번 지문에 이 개념이 나왔다. 다만 그 차이점이 어떠한지에 대한 서술이 없어서 호기심에 몸부림 쳤다 카더라.[19] 그리스 문자의 하나인 세타. 삼각함수 배울 때 변수로 쓰던 그 세타의 대문자이다.
단, '''두 물리량이 상수배 관계일 때에는 단위만을 대응시킨 약식 표기가 가능'''하다. 이를테면 셀시우스도 → 뉴턴도의 관계는 $$\dfrac{T_{\rm\degree\!N}}{\rm\degree\!N} = \dfrac{33}{100}\dfrac{T_{\rm\degree\!C}}{\rm\degree\!C}$$인데 양변에 역수를 취하고 물리량을 한쪽으로 이항하면 $${\rm\degree\!N} = \dfrac{100}{33}\,{\rm\degree\!C}\,\dfrac{T_{\rm\degree\!N}}{T_{\rm\degree\!C}}$$가 된다. 여기에서 $$T_{\rm\degree\!N}$$, $$T_{\rm\degree\!C}$$는 단위가 다르다는 것을 명시하기 위한 것일뿐 본질적으론 같은 것을 나타내는 물리량이므로 $$\dfrac{T_{\rm\degree\!N}}{T_{\rm\degree\!C}} = 1$$이고 따라서 $$1\,{\rm\degree\!N} = \dfrac{100}{33}\,{\rm\degree\!C} \Longleftrightarrow 1\,{\rm\degree\!C} = \dfrac{33}{100}\,{\rm\degree\!N}$$로 간단하게 나타낼 수 있다.[12] 엄격하게 정의하자면 그 물체를 이루는 모든 분자들의 운동 에너지 총합.[13] 예를 들어 지구 대기의 열권 같은 경우 온도는 섭씨 2,000도까지 올라가는데, 물론 열권에 있으면 얼어 죽는다. [14] 비유하지면 일종의 소수 정예. 질은 높지만 수가 부족해 전체 합은 낮다. 1짜리 1000개보다 10짜리 10개가 평균은 10배나 되지만(온도가 높다.) 총합은 10분의 1이다(전체 열은 적다.).[15] 엄밀하게 말하자면 운동 에너지가 가장 낮아질 수 있는 상태는 0보다 높다. (단순 조화 진동자 참고) 운동 에너지가 0이 될 수 없기 때문에 운동 에너지가 0인 상태를 가정한 절대영도 또한 도달할 수 없다.[16] 10의 32승은 구라고 부른다. 플랑크 온도는 1구 4천 양 가량인 셈.[17] 영어로된 유튜브 링크[18] 2016학년도 6월 모의평가 영어 영역에서 38번 지문에 이 개념이 나왔다. 다만 그 차이점이 어떠한지에 대한 서술이 없어서 호기심에 몸부림 쳤다 카더라.[19] 그리스 문자의 하나인 세타. 삼각함수 배울 때 변수로 쓰던 그 세타의 대문자이다.