온도계

온도계

온도계(溫度計)는 물체나 어떠한 공간에서의 온도를 측정하는 기구를 말한다.

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개요

온도계는 온도를 재는 장치를 말한다. 여러 가지 물질의 물리적 성질이 온도와 함께 바뀌는 것을 이용해서 일정 온도점을 정한다. 정하는 방법이나 사용 목적에 따라서 각종 눈금과 여러 종류의 온도계가 있다. 눈금의 종류로는 섭씨 눈금, 화씨 눈금, 절대온도 눈금 등이 있다. 온도계의 종류로는 사용 목적에 따라 체온계나 기상용의 자기 온도계 등이 있으며, 원리적으로는 물질이 온도와 함께 변하는 체적의 압력, 전기저항, 열방사 등의 변화를 이용한 것 등 그 종류가 다양하다. 상온 부근에서는 수은이나 알코올의 체팽창을 이용한 온도계가 널리 사용되고 있다. 온도계는 유리관과 온도계의 구부로 구성되어 있다. 구부에 담긴 빨간색은 알코올의 무색이 눈에 띄기 쉽도록 착색한 것으로, 온도가 올라감에 따라 유리관에 빨간 기둥이 나타나며 온도 측정이 가능하다. 간혹 온도계와 체온계를 혼동하는 경우가 있는데 체온계는 측정 후 몸에서 떨어져도 측정된 온도가 실내 온도에 의해 변하지 않게 하는 가는 관이 적용되어 있다. 이에 반해 일반 온도계는 두께가 일정한 관으로 만들어져 온도 변화에 따라 수치가 변하는 것을 확인할 수 있다.

역사

1세기경 과학자들은 액체, 혹은 기체의 온도가 끊임없이 변하는 것에 따라 그것들의 질량이나 부피도 따라서 변한다는 사실을 알게 되었다. 그들은 이러한 변화를 정확하게 측정하기 위해 온도 측정기라는 것을 고안했다. 그 가운데 가장 단순한 것은 유리관이었는데, 그 관의 한쪽 끝을 물이 든 작은 유리병에 담가서 온도를 측정했다. 온도가 상승하면 관 속의 공기가 팽창하여 물기둥이 내려갔던 것이다. 이후 1600년경에 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 온도에 따라 부피가 변하는 물을 이용하여 온도 측정기를 발명했다. 1641년에는 토스카니 대공이 눈금을 표시한 유리관에 알코올을 넣어 봉인한 온도계를 만들었다. 1644년에는 영국의 과학자인 로버트 후크(Robert Hooke)가 기준이 되는 눈금을 0으로 표시한 온도계를 고안했다. 1714년에는 독일의 물리학자 다니엘 가브리엘 파렌하이트(Daniel Gabriel Fahrenheit)가 수은 온도계를 발명한 뒤에야 과학적으로 신뢰할 수 있는 눈금이 있는 온도계가 나타났다. 또한 그는 오늘날에도 일부에서 사용되고 있는 화씨 눈금을 개발했다. 그는 물이 어는점을 32도로 하고 끓는점을 반원의 내각인 180도보다 높은 지점, 즉 212도로 정했다. 이처럼 온도계에 어는점과 끓는점 사이를 180개의 눈금으로 매긴 것이 많은 과학 연구에서는 이치에 맞았지만, 다른 쪽에서는 이를 어색하게 여겼다. 결국 1742년 스웨덴의 천문학자 안데르스 셀시우스(Anders Celsius)는 어는점을 0, 끓는점을 100으로 하고 그 사이를 정확히 100개로 나눈 눈금을 제안했다. 18세기 후반에는 프랑스가 이 새로운 섭씨 단위를 미터법의 일부로 수용했으며, 1940년대에는 국제 과학계가 이를 받아들였다.

용어

• 화씨 눈금 : 몇몇 영어권 나라에서 사용되는 온도의 눈금이다. 물의 어는점은 32도, 끓는점은 212도로 되어 있다.
• 화씨 도 : 화씨 눈금에서 측정 단위를 나타내는 기호이다.
• 섭씨 눈금: 물의 어는점이 0도부터 물의 끓는점이 100도까지의 눈금을 기반으로 하는 온도 눈금이다. 이전에는 백분도 눈금이라고 했다.
• 섭씨 도: 섭씨 눈금에서 측정 단위를 나타내는 기호이다.
• 알코올 기둥 : 유리관 속에 들어 있는 일정량의 알코올로 그 높이는 온도에 따라 달라진다.
• 알코올 구 : 색을 띠는 알코올이 들어 있는 유리 용기이다. 알코올은 온도가 높아지면 모세관 속에서 팽창하여 올라간다.

종류

복사 온도계

복사 온도계는 고온체에서 나오는 복사선이 물체의 성질뿐 아니라, 그 온도에 의해서 결정된다는 것을 이용한 온도계이다. 고온체의 복사를 수열판에 모아 그 온도를 측정함으로써 간접적으로 고온체의 온도를 판정한다. 복사 온도계에는 복사선 중 가시광선의 휘도로 온도를 판정하는 광온도계, 광전판을 사용하여 고온체에서 복사를 광전류로 바꿔 온도를 판정하는 광전관 온도계, 상온이나 저온도 측정할 수 있는 적외선 온도계 등이 있다. 복사 온도계는 대상 물체에 직접 닿지 않아도 온도를 잴 수 있다는 장점이 있어 공업 방면 등에서 널리 사용된다.

역학적 온도계

역학적 온도계는 물체의 열역학적 성질, 특히 열팽창이나 온도에 따른 압력 변화를 측정해서 그 물체에 접촉하는 물체의 온도를 판정한다. 팽창식·압력식 온도계라고도 한다. 수은 온도계·알코올 온도계 등 액체 온도계가 대표적이며 그밖에 바이메탈을 이용한 금속 온도계·기체 온도계 등도 있다. 또 압력식 온도계는 일정한 부피의 그릇 안에 봉해 넣은 액체와 기체의 압력 변화에 의해 온도를 판정한다.

전기적 온도계

전기적 온도계는 온도와 함께 변하는 전기적 양을 측정하여 온도를 판정한다. 열전쌍의 기전력이 접점의 온도차에 의해 정해지는 것을 이용한 열전온도계와 금속과 반도체의 전기저항이 온도에 따라 바뀌는 것을 이용한 저항 온도계가 있다. 전기적 온도계는 측정범위가 액체 온도계보다 넓고 정밀도도 높다. 특히 백금을 사용한 저항 온도계는 500도의 고온체 온도는 재는 데 적합하다.

특수한 온도계

특수한 온도계에는 측정원리에 따른 것 이외에도 용도에 따라 여러 가지 형태의 온도계가 있다. 자동으로 온도를 기록하는 자동기록 온도계, 일정 시간 내의 최고·최저 온도만을 나타내는 최고최저온도계, 온도 자체가 아니라 그 미세한 변동을 조사하는 베크만 온도계 등이 있다. 체온계는 최고 온도계 구실을 하는 액체 온도계의 일종이다. 이밖에 고온의 가마 속 온도를 측정하는 제커콘(Seger cone), 일정 온도에서 화학적 변화로 변색하는 것을 이용하여 온도를 판정하는 서모컬러, 기온과 습도를 측정하는 건습구 온도계가 있다.

자동차

냉각수 온도

자동차 계기판은 자동차의 컨디션이나 상황을 운전자에게 한눈에 전달하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 물론 자동차의 용도나 특징에 따라 계기판의 구성이나 항목은 조금씩 다르다. 기본적으로 속도를 알려주는 속도계와 엔진의 회전수를 알려주는 타코미터가 나란히 있고 여기에 각종 경고등과 남은 연료의 양을 알려주는 주유미터 등이 포함되어 있다. 그중에서도 계기판에는 온도를 나타내는 단위인 ℃가 쓰여 있는 온도계가 있다. 가솔린 자동차는 기본적으로 화석 연료를 압축하고 연소해서 폭발하는 과정을 빠르게 반복하면서 높은 열을 발생한다. 하지만 계기판에 있는 온도계는 일반적으로 100도를 넘지 않는다. 자동차 계기판의 온도계는 엔진의 온도가 아니라 엔진에 사용되는 냉각수 온도를 의미한다. 냉각수는 워터 펌프를 통해 엔진 내부를 순환한 다음 라디에이터에 의해 외부 공기와의 온도차를 위해서 엔진에 열을 방출하는 구조로 되어 있다. 성능 향상을 위해 첨가제가 들어가지만, 기본적으로는 물이다. 따라서 일정 이상 온도가 되면 끓게 된다. 물의 끓는 점은 100도로 냉각수가 끓게 되면 기포가 생기면서 냉각이 제대로 이루어지지 않는다. 이것이 흔히 말하는 냉각수 오버히트 현상이다. 이렇게 되면 엔진이 과열되어 차량 화재뿐 아니라 큰 사고로 이어질 수 있다. 즉, 계기판에 있는 온도계는 냉각수 온도가 100도를 넘지 않도록 확인하는 용도이다. 다만 냉각수는 100도에 끓는 것이 아니라 대기압보다 좀 더 높은 압력을 받도록 설계되어 있어서 그 이상 온도가 돼야 끓게 된다. 그럼에도 평소 운전 시에는 95도를 넘지 않도록 관리하는 것이 좋다. 차종에 따라 조금씩 차이는 있지만, 일반적으로 냉각수 온도계에는 H(Hot)와 C(Cold)가 표기되어 있다. H와 C 사이에 바늘이 위치해야 정상적인 상태로 볼 수 있다. 온도계의 양극단인 H 혹은 C에 바늘이 지속적으로 고정되어 있다면, 냉각수가 적정온도를 벗어났다는 의미이기에 즉각적인 점검이 필요하다. 이러한 자동차 온도계는 표시등 형태로 많이 바뀌고 있다. 차가운 상태에서는 파란색으로, 과열 시에는 빨간색을 점등 시켜 더욱 직관적으로 운전자에게 주의를 주는 것이다. 일정 온도가 넘거나 낮지만 않으면 되기 때문에 더욱더 직관적이고 편리하다.

외부 온도

차종마다 조금씩 다르겠지만 대부분 자동차 외부 온도 센서는 앞범퍼 개구부나 번호판이 부착된 범퍼 안쪽에 숨어 있다. 높이는 지상에서 약 30cm 정도에 설치된다. 따라서 비교적 엔진룸과 가까운 위치이기 때문에 엔진에서 발생하는 열로 인한 영향이 전혀 없는 것은 아니다. 그래도 주행 중에 외기로 인한 냉각도 동시에 이루어지기 때문에 적당히 상쇄된다. 만약 공회전 중이라고 해도 크게 변동되지 않도록 전자식으로 제어되고 있기 때문에 최대한 외부 온도와 비슷하게 측정된다. 아스팔트와 같이 지면에서 올라오는 뜨거운 열로 인해 오차가 발생할 수 있지만 약 30cm 정도 떨어진 상태에서 주행으로 발생하는 바람을 맞게 되면 대부분은 상쇄가 된다. 가장 정확한 측정 상태는 시동을 걸어 출발한 후 적당한 거리를 주행했을 때다. 이러한 상황을 상정해서 온도 센서가 설정되어 있는 것이다. 외부 온도 센서는 서미스터라는 전자장치를 통해 온도를 측정하고 데이터를 전달한다. 서미스터는 온도에 따라 전기 저항이 변하는 반도체의 성질을 이용한 소자이다. 그중에서도 NTC(Negative Temperature Coefficient)라고 하는 서미스터가 사용된다. 이러한 저항값을 측정한 데이터를 다시 온도 정보로 변환해 자동차 실내에 표시한다. 자동차 실외 온도 측정은 자동차 상황에 따라 끊임없이 변화한다. 아무리 제어를 한다고 해도 장시간 고속도로를 달리고 있다면 실제 외부 온도보다 내려가고, 지열이 올라오는 아스팔트 주차장에 장시간 주차하면 온도는 오르기 마련이다.

자동차 외부 온도 측정의 한계

더운 여름철이나 추운 겨울철에 자동차 시동을 걸고 차량 온도계를 보면 황당하게 느껴지는 때가 종종 있다. 현실적으로 외부 온도와 너무 맞지 않는 경우가 많기 때문이다. 외부 온도를 나타내는 차량 온도계는 실제로 온도계가 아니다. 엄밀히 따지면 자동차 온도계는 온도 센서의 일종인 서미스터, 즉 수은 같은 액체의 확산과 수축을 재는 대신 온도가 일으키는 전류의 변화를 기반으로 온도를 측정하는 기계이다. 대부분의 자동차에는 서미스터가 차량 앞쪽에 또는 그릴 뒤에 있다. 이 위치는 온도의 정확도에 큰 문제가 있다. 자동차 안의 서미스터는 땅과 가까이 있는데 자연스럽게 땅이 내뿜는 열을 측정하게 될 것이다. 이렇게 되면 종종 더운 날 실제 대기의 온도보다 훨씬 높은 수치의 온도가 나타나게 된다. 즉, 자동차가 뜨거운 아스팔트로부터 영향을 받은 온도를 측정하게 되는 것이다. 반면에 밤이 되면 서미스터의 정확도가 나아지는데 이는 땅에서 오는 열기를 측정하지 않기 때문이다. 해가 땅을 뜨겁게 만들지 않는 흐린 날이나 차가 빠른 속도로 달리면 서미스터의 정확도가 높아진다. 이러한 이유로 자동차의 온도계는 매우 제한적이라고 볼 수 있다. 굳이 차 안에서 외부 온도를 알고 싶다면, 스마트폰으로 확인하는 것이 더 정확하다.

참고자료

• 〈온도계〉, 《네이버 지식백과》
• 한국지역난방공사, 〈온도계는 어떻게 온도를 잴까? 온도계의 원리 알아보기!〉, 《네이버 포스트》, 2021-05-10
• 〈온도계〉, 《네이버 지식백과》
• 〈온도계〉, 《네이버 지식백과》
• 〈온도계의 종류〉, 《네이버 지식백과》
• ABC타이어, 〈자동차 계기판의 온도계, 무엇의 온도를 나타낼까?〉, 《네이버 포스트》, 2019-03-01
• 불스원, 〈자동차 계기판 내 온도계의 의미는?〉, 《불스원 블로그》, 2021-08-18
• 에스카, 〈자동차 온도계를 믿어선 안 되는 이유〉, 《네이버 포스트》, 2019-07-18

같이 보기

• 온도
• 측정
• 기구
• 냉각수
• 냉각수 온도계
• 계기판

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