온도의 개념과 단위

가.온도의 개념

우리들의 신체의 일부가 물체에 접촉하면 덥고 차가운 감각을 느끼게 되는데, 이때 덥고 차가운 정도를 나타낸 척도가 온도이고, 그 수치를 물리적으로 측정하기 위하여 물체에 접촉시키는 계기가 온도계이다. 이는 물체의 온도 측정에 사용되는 열평형의 원리를 이용 하고 있는 것이다. 온도가 다른 금속 A와 금속 B를 서로 접촉시키면, 열은 고온측에서 저온측으로 이동하여 어느 시간 후에는 동일한 온도로 열평형에 이르게 된다. 이와같이 온도는 공업계측량 중에서도 측정의 비율이 45 ％로 가장 많고,유량이 약 20 % 압력이 10 % 정도 분포를 이루고 있다. 이와 같은 온도는 직관적으로 잘 알 수 있지만, 량으로써 사용 하려면 어렵게 된다. 예를 들면 체온이 36 ℃이다. 라는 것은 직감적으로 누구나 판단할 수 있지만 사람이 10명 모여도 온도는 360 ℃로는 되지 않는다. 또,목욕탕의 온도는 40 ℃ 이고,단팥죽을 먹을때는 80℃이지만, 80 ℃는 40 ℃의 2배라고 하지 않는다. 일상 생활에서 습관화되어 친숙한 온도계로는 GLASS 온도계인 수은온도계나 알콜온도계 이다. 이러한 온도계는 상온 부근에서는 사용 방법이 간단하고, 공업용 온도계에 비해 정확 도도 어느 정도 보증되어 있고, 온도치를 읽는 것이 편리하다. 공업용 온도계로써는 GLASS 온도계도 이용되지만, 공업 PROCESS 에서의 측정대상 들의 온도범위가 -200 ℃에서 2000 ℃까지 되고, 측정시 압력, 분위기등의 조건이 다양하므로 여기에 대응하기 위한 다양한 온도계가 요구된다. 온도 공업량 계측에 이용되는 각종 온도계 특징과 사용상 주의를 하지 않으면 오차가 발생되는 요인을 다음의 표에 표시했다.

 

나. 온도 단위

온도계를 이용하여 열평형된 상태를 온도계를 이용하여 나타내는 방법으로는 그 영도의 위치와 눈금 간격을 정하기 위한 온도 정점을 사용하여 표시하며, 1990년 국제 도량형 총회 에서 결정 된것으로, 온도를 표현하는 눈금에는 열역학적인 온도눈금(열역학적 캘빈온도, 열역학적 셀시우스온도)와 실용온도 눈금 (캘빈온도, 셀시우스 온도)이 있다.

 

1) 열역학적 온도눈금

에너지를 어느상태로 부터 다른 상태로 전환, 이들 사이에는 에너지 보존 법칙이 성립된 다, 즉, "일과 열은 에너지의 형태로서 일을 열로 변환시키는 것이나 열을 일로 변환시키 는 것이 가능하다" 는 열역학 제1법칙에 의해 열과 일은 에너지 형태로서 같다. 열기관이나 냉동기 및 공기 압축기 등의 기계에서 동작 물질이 어느 상태로 부터 변화가 시작되어 도중에 여러가지 상태변화를 하면서 처음의 상태로 되돌아오는 연속적인 상태를 사이클(Cycle)이라고 하며, 사이클의 상태 변화의 방향을 반대로 한 것을 역사이클 이다. 따라서 열역학 제1법칙은 단순히 일과 열의 변환만을 양적 변화 관계로 밝힌것으로, 예 를 들어 온도가 다른 두 물체를 접촉시키면 열은 반드시 고온의 물체로 부터 저온의 물체 쪽으로 이동후에 온도차가 생기지 않으면, 열의 흐름은 정지되고 결코 저온의 물체로 부터 고온의 물체로 열의 이동은 없다. 또 다른 하나의 예로서, 컵속의 물에 잉크 한 방울 떨어뜨리면 장시간후 잉크는 컵속에 확산되어 마침내 균일한 농도의 색으로 된다. 이와같은 현상은 서로 다른 액체 또는 기체의 혼합에서 볼수 있는 확산이며, 확산된 2종 의 물질을 하나로 다시 분리할 수는 없다. 따라서 열로 부터 일로의 에너지 변환,마찰에 의한 열의 발생, 열의 전도, 확산등을 포함하는 상태변화는 비가역 변화이다. 그러므로 열역학 제1법칙 만으로는 자연적인 열의 이동을 설명 할 수 없고 상태 변화의 방향성을 나타낼 수 있는 별도의 법칙이 필요한데, 이 법칙이 열역학 제2법칙이다. 열역학 제2 법칙을 표현 하는데는 Kelvin -Planck의 표현과 Celsius 표현에 의하여 사이클 장치의 작동한계를 나타내는 것으로 열기관은 단일 열원의 열교환에 의해 작동될 수 없으며, 또 냉동기는 외부로 부터 에너지 입력 또는 일을 받지 않고는 작동될 수 없다는 카르노원리에 의해 즉, 동일온도를 유지하는 열원으로 부터 끄집어 낸 열을 일로만 바꾸게 하는 일은 불가능한 것이다. 따라서, 가역사이클이 성립되는 열기관에서 2개의 열원 사이 열기관을 작동시키는 구조, 또는 구성 물질에 상관없이 효율의 측정 또는 열량비 측정은 온도비로 나타낼 수 있음과 동시에 온도개념 설정시 열역학적인 의미에 있어서의 가장 합리적인 방법이 되는 것이다. 그럼므로, θ 2/ θ 1 ＝ Τ 2/ Τ 1(열량비 = 온도비)가 성립되고, 이 이론을 바탕으로 해서 먼저, 온도비를 온도 눈금화하는 작업이 필요하며, 이상 기체를 가지고 에서 행하게 된다. 보통 사용하는 온도계는 유리관속에 수은이나 알콜등을 넣은 액체 온도계이지만 물질의 온도에 따른 팽창 비율이 일정하지 않으므로 사용하는 액체 또는 보호관 유리의 종류에 따라서 온도의 지시값이 달라지게 된다.

 

하나의 예를 들면, 수은온도계로 측정한 50 ℃의 온도는 알콜 온도계에서는 50.7 ℃가 되는데, 이 경우 두 온도계의 눈금 스케일은 0 ℃와 100 ℃는 일치되어 있다. 또 같은 수은 온도계를 사용 하더라도 유리관 재질에 따라서 그 지시값은 달라진다. 그러나 기체의 경우 온도에 따른 팽창의 비율이 저온에 접근하면 거의 일정한 상태로 되는 특성을 가지고 있다. 이상기체는 존재하지 않지만 이상기체 상태에서는 온도에 따른 체적 팽창의 비율이 일정 하므로 정압하에서는 온도 1 ℃ 상승함에 따라 0 ℃ 체적에 비해서 1/273.15씩 증가한다. 즉, β =1/273.15은 체적의 팽창계수이다. 따라서 이와같은 기체중 수소나 헬륨을 이용한 정적 기체 온도계가 사용된다. 보일샤를의 법칙에 의거 이상기체를 이용한 정적기체 온도계로 물의 3중점과 물의 비점 에서의 온도변화에 따른 체적변화를 실측하고, 그 연장선을 그었을때 체적계수 값이 구해 짐과 동시에 완전 체적이 0이 되는 지점의 온도가 즉, -273.15 이다. 우리는 흔히 이 온도를 절대영도라 칭하거나 절대값을 캘빈값 이라고도 칭하고 있다. 그러므로 절대 영도를 기점으로 물의 3중점을 273.16 K라 정하고, 순수한 물이 어는 지점과 비점을 373.15 K라 정해서, 그 사이를 100등분 시킨 것을 온도의 기본 눈금으로 정함으로써 열역학 온도눈금이라 칭한다. 1 K는 물의 삼중점 열역학 온도의 1/273.16로 정의한다. 즉, 순수한 물이 얼거나 끓는 점을 사용하지 않고 에너지로 온도를 표현된 것이라는 것을 알 수 있다.

 

2) 국제온도 눈금 온도를 정확하게 측정하려면 열역학적 온도눈금인 기체 도계를 사용하는 것이 좋으나, 이 열역학적 온도를 재현 하고자 할때, 그 장치가 이론적으로, 기술적으로 까다롭기 때문에 실현성이 희박하게 되는 어려움이 있다. 따라서 공업계기 또는 과학기기등에 눈금을 새기는 실용적 목적을 위하여 측정이 용이하면서도 열역학적 온도 눈금과 그 측정 정도가 유사한 국제온도 눈금의 필요성때문에 국제 도량형 위원회(CGPM)에서 국제 실용 온도눈금이 1927년 부터 채택 되어, 내용에 대한 수정 및 온도눈금의 기준 채택을 거쳐 현재 쓰고 있는 있는 ITS-90이 제정되었다. ITS-90에서 정한 국제 온도눈금은 아래와 같이 온도 측정범위를 4개로 나누고, 각각의 측정 영역에 따라 정확도 및 재현성을 유지하기 위하여 다른 온도계를 사용하였으며, SI 국제 단위계에 따라 계량단위는 켈빈도(K)를 사용하고 있다. - 0.65 K ∼5.0 K : 헬륨 증기압 - 3.0 K ∼24.556 K(네온 3중점) : 3 He 또는 4 He을 이용한 온도계 - 13.8033 K(평형수소 3중점) ∼961.78 ℃(은의 응고점) : 백금저항 온도계 - 961.78 ℃이상 : 플랑크 복사법칙 (복사온도계)