온도에 관한 지식은 어떠한가?

으스스한 날에 그저 따뜻한 물로 샤워하거나 목욕하는 것보다 더 기분 좋은 일이 무엇이겠는가? 그러나 물이 너무 뜨겁거나 차갑다면 불유쾌하여, 하는 둥 마는 둥 급히 목욕을 마칠 것이다. 샤워나 목욕을 무서워하지 않고 즐겁게 하도록 만드는 요인은 무엇인가? 물론, 물의 온도다.

대기 온도 또한 일상의 관심거리다. 기온을 아는 것은 그날 옷을 어떻게 입을 것인지 그리고 일과를 어떻게 계획할 것인지 결정하는 데 도움이 된다. 온도에 대한 지식이 그토록 유용하므로, 공공 건물에서는 흔히 시간과 함께 온도를 알아볼 수 있게 한다.

그러나 독자가 어디에 살고 있느냐에 따라, 표시되는 숫자는 전혀 다른 상태를 나타낼 수도 있다. 예를 들어, 어째서 미국에서는 눈금이 40도를 가리킬 때 코트를 입을 필요가 있는 데 반하여, 유럽에서는 40도일 때 가능한 한 가벼운 옷차림을 할 필요가 있는가?

온도 눈금

아주 간단히 말해서, 미국과 같이 화씨 눈금이 사용되는 곳에서, 40도는 물의 어는점보다 그리 높지 않아서 춥다. 그러나 섭씨 눈금이 널리 사용되는 유럽에서, 40도는 숨막히게 무더운 온도를 나타낸다. 본 기사에서는 일반 대중이 사용하는 이 두 가지 눈금에 대해서만 고려할 것이다. 화씨 및 섭씨 온도 눈금은 어디서 유래하였는가?

1714년에 독일의 물리학자 가브리엘 다니엘 파렌하이트가 수은 온도계를 사용하여 온도 눈금을 고안해 냈다. 그는 세 개의 기준점을 정하였다. 파렌하이트는 자신이 만드는 눈금의 영점을 가능한 한 낮게 잡기를 원하였다. 그래서 그는 얼음과 물과 일종의 소금을 혼합하였으며, 그 결과 혼합물의 온도는 그가 당시에 얻을 수 있었던 최저점으로 떨어졌다. 그 온도가 눈금의 0도가 되었다. 그 후에, 파렌하이트는 건강한 사람의 체온을 눈금의 최고점으로 택하였다. 그는 이 온도를 96도로 정하였다. (하지만, 그 이후로 건강한 사람의 체온이 그가 추정했던 것보다 2.5도 가량 높다는 것이 밝혀졌다.) 세 번째 기준점을 얻기 위하여 그는 물의 어는점을 측정하였고 32도라는 것을 알아냈다. 그 후에, 물의 끓는점에 그 눈금을 적용하였다. 물의 끓는점의 온도가 해면에서 212도임이 밝혀졌고, 파렌하이트는 후에 이것을 자신이 새로 만든 눈금에서 최고점으로 제안하였다.

스웨덴 천문학자 안데르스 셀시우스는 가브리엘 파렌하이트와 동시대 사람으로 1701년부터 1744년까지 살았다. 1742년에 셀시우스는 역시 발명가의 이름이 붙은 온도 눈금을 고안해 냈다. 이 눈금은 두 개의 기준점에 기초를 두고 있다. 0도는 물의 어는점이고 100도는 해면에서 물의 끓는점이다. 셀시우스가 자신의 온도계를 백등분하였으므로, 이 눈금은 백분 온도 눈금으로도 알려져 있다. 섭씨 눈금은 미터 단위가 받아들여지는 곳에서는 어디에서나 사용된다.

오늘날 화씨와 섭씨 눈금은 둘 다 통용되고 있으므로, 종종 한 쪽에서 다른 쪽으로 바꿀 필요가 있다. 어떻게 하면 되는가? 우선, 화씨 눈금에서는 물의 끓는점과 어는점 사이의 온도차가 180도(212도 빼기 32도)임에 유의하라. 그러나 섭씨 눈금에서는 그 차가 100도다. 그러므로, 두 눈금 사이의 비율은 180 대 100 즉 9 대 5다.

따라서 화씨에서 섭씨로 바꾸려면, 먼저 화씨 온도에서 32를 뺀다. 그 다음 뺀 값에 5/9를 곱한다. 실례로, 가령 화씨 온도가 무더운 104도라고 하자. 섭씨 온도로 만들기 위하여, 104에서 32를 빼면 72가 된다. 그 다음 72에 5/9를 곱한다. 값은 40이며, 이것이 섭씨 온도다. 사실, 섭씨 40도가 되면 숨막힐 듯이 무덥다!

반면에, 섭씨에서 화씨로 바꾸려면, 섭씨 온도에 9/5를 곱한 다음 32를 더한다. 그러면, 실례로서 가령 온도가 섭씨 20도라고 하자. 화씨 눈금의 온도는 몇 도인가? 20에 9/5를 곱하면 36이 된다. 36에 32를 더하면, 68도라는 화씨 온도를 얻게 된다.

온도란 무엇인가?

온도란 덥고 찬 정도를 수량으로 나타낸 것을 말한다. 그러면 물체를 뜨겁게 혹은 차게 만드는 것은 무엇인가? 물질이 가열될 때 그 물질의 분자 및 원자 구조를 들여다볼 수 있다면, 여러 가지 변화가 일어나는 것을 볼 수 있을 것이다. 물이 든 냄비가 스토브 위에서 가열되는 것을 주의 깊이 살펴보라.

물 분자들이 점점 더 빨리 움직인다. 이어서 물이 끓는다. 이런 현상은 물 분자가 매우 빨리 움직여서 서로 부딪쳐 되튀게 되어 더 이상 액체 형태로 들러붙어 있지 않게 될 때 일어난다. 물은 실제로 기체로 바뀌기 시작하여 수증기로 나타난다.

기체의 거품들이 먼저 냄비 바닥에서부터 형성되는데, 그곳의 온도가 가장 높기 때문이다. 이처럼 물이 수증기로 변환되는 동안에 열을 줄곧 가한다 할지라도, 온도는 변하지 않는다. 그 이유는 물 분자들을 액체 상태로부터 분해하여 기체 상태로 변환시키는 데 에너지가 필요하기 때문이다. 가해지는 열이 그 에너지를 공급한다. 따라서 그 열은 물을 더 뜨겁게 만드는 대신에 더 많은 물 분자를 기체 상태로 변화시키기만 할 뿐이다.

기체 상태의 물 분자들은 온도가 올라감에 따라 점점 더 빨리 움직여 진동하고 이동한다. 수증기의 온도를 극도로 높이 올려 가령 수천만 혹은 수억 도가 되게 한다면, 전자까지도 원자에서 벗어날 것이다. 그처럼 높은 온도에서는, 원자 가운데 있는 아주 작은 알맹이인 핵들이 서로 아주 세게 부딪쳐 핵반응이 일어날 수도 있다. 사실, 핵융합을 이용하여 동력을 얻으려는 목표가 바로 이 착상에서 나온 것이다.

온도의 범위

알려진 바에 따르면, 온도는 상한점이 없다. 반면에, 하한점은 있는 것 같다. 절대 영도가 화씨 -459.67도 즉 섭씨 -273.15도로 정해져 있다. 이 온도는 물체의 분자와 원자가 가능한 한 최소한의 에너지를 가지는 점이다.

명왕성 표면의 온도는 대략 화씨 -350도, 즉 섭씨 -210도인 것으로 추산된다. 1965년에 천문학자들은 우주 공간의 흑암 상태의 온도가 약 화씨 -455도 즉 섭씨 -270도로서 단지 섭씨 눈금의 절대 영도에서 3도 높다는 것을 알게 되었다. 다른 쪽 극단으로 태양의 중심은 약 섭씨 1500만 도인 것으로 믿어진다. 그러나 태양보다 큰 별들—수천 배나 큰 별들도 있다—은 아마 온도가 훨씬 더 높을 것이다.

이곳 지상에서의 온도 범위는 어떠한가? 비교적 좁은 범위 내에서 오르내린다. 남극 대륙에서 화씨 -128.6도 즉 섭씨 -89.2도의 온도가 1983년 7월 21일에 측정되었다. 그리고 화씨 136도 즉 섭씨 58도의 기록적인 고온이 북아프리카의 트리폴리타니아, 엘아지지아에서 1922년 9월 13일에 기록되었다. 그러나 대다수의 사람은 이러한 양극단에 가까운 온도조차 경험한 적이 없다. 우리는 지상의 온도 범위가 비교적 좁은 범위 내에서 유지되는 사실에 대해 우리의 창조주 여호와 하나님께 감사드릴 수 있다. 그 결과로 인해, 지상에서 생명을 누릴 수 있으니 말이다.

[13면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

화씨 섭씨

212 100 해면 기압에서 물이 끓는다

98.6 37 정상 체온

32 0 물이 언다

-40 -40 섭씨로나 화씨로나 같은 온도임

-460 -273 절대 영도