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온도차
온도차(溫度差)는 최고 온도와 최저 온도의 차이를 의미한다.
개요[편집]
온도차는 비교하고자 하는 두 대상 간에 발생하는 온도의 높고 낮은 차이 정도를 말한다. 실내와 실외의 공기, 냉온열원설비의 입구와 출구 열매, 벽체의 외부표면과 내부표면 등의 온도 차이가 이에 해당한다. 온도(溫度, temperature)는 물질의 뜨겁고 찬 정도를 나타내는 물리량이다. 온도는 물리학에서 가장 기초적이고 중요한 물리량 중 하나이다. 온도는 일반적으로 다음 두 가지 방법으로 정의된다. 일반적인 정의의 온도는 온도의 경험적인 개념과, 독립적인 온도의 존재성을 보장하는 열역학 법칙중 제 0법칙에 기초한다. 일반적인 정의의 온도는 일정한 기준을 통해 만들어진 온도계로 측정되는 값이다.
열역학적 정의의 온도는 19세기 중반 열기관과 열역학에서 이어지는 통계역학이 발전되면서 에너지와 엔트로피간의 이해가 높아지면서 파생되어 나왔다. 열역학적 정의의 온도는 에너지를 엔트로피로 편미분한 값으로 나타내지며, 다양한 기초적인 물리법칙과 근본적으로 관련되어있다. 열역학적 정의의 온도는 계의 평형이 이뤄지지 않으면 정의할 수 없다. 온도의 국제 단위는 켈빈(K)이다. 켈빈은 물의 삼중점의 열역학적 온도의 1/273.16으로 정의된다. 일반적인 정의에 사용되는 온도 기준에 열역학적 정의의 온도를 사용함으로써 일반적인 정의의 온도라도 물리학적인 의미, 다양한 기초적인 물리법칙과의 관련성을 만들 수 있다.[1][2]
온도[편집]
온도란 뜨거운 정도, 혹은 차가운 정도를 숫자로 나타낸 것을 말한다. 온도의 개념은 우리의 경험에 비롯한 뜨겁고 차가움의 정도이다. 우리는 경험적으로 뜨거운 물체와 차가운 물체를 접촉시키게 되면 뜨거운 물체로부터 차가운 물체로 자발적으로 에너지가 열의 형태로 흐르는 것을 알 수 있다. 따라서 온도의 개념은 "자발적으로 에너지를 밖으로 배출하려고 하는 성질의 정도"이며, 편의 상 온도가 높을수록 에너지를 많이 방출하려고 하는 성질이 크다고 정의한다.
열역학 제 0법칙은 "어떤 계 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 C도 열평형상태에 있다."이다. 이는 앞서 말한 온도의 개념을 생각해본다면 온도, 즉 "자발적으로 에너지를 밖으로 배출하려고 하는 성질의 정도"가 외부에 접촉한 계와 상관없이 독립적인 물리량으로 존재함을 알 수 있다. 따라서, 우리는 기준이 되는 계 몇 개를 정하고 다른 계들을 그 계와 접촉시켜 열이 흐르는 방향을 봄으로써 계의 온도의 상대적인 높낮음을 알 수 있다. 이러한 상대적인 높낮음을 절대 온도( K)나 섭씨 온도( °C)와 같이 기준을 만들어 정한다면 어떠한 계의 온도는 그 기준 내에서 이론적으로 정의가 된다. 온도의 기준과 온도에 따른 부가적인 성질들(알코올의 부피증가, 흑체복사 등)을 통해서 온도계를 만들 수 있고, 온도의 일반적인 정의는 "정해진 온도의 기준에 의하여 만들어진 온도계에서 측정되는 값"이라고 할 수 있다.
온도의 일반적인 정의가 갖는 성질
온도의 일반적인 정의는 그 자체로 다음을 보장한다.
- 첫째, 온도가 다른 물체를 열 교환이 일어날 수 있도록 접촉시켰을 때 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 자발적으로 열이 흐르게 된다.
- 둘째, 두 물체가 충분한 열 교환을 통해서 열 평형에 이르렀을 때 두 물체의 온도는 같게 된다.
온도의 일반적인 정의의 문제점
온도의 일반적인 정의는 다음과 같은 개념에서 애매모호함이 있다.
- 첫째, 온도의 일반적 정의는 절대적 물리량으로서의 온도의 존재성을 보장하는 열역학 제 0법칙 "어떤 계 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 C도 열평형상태에 있다."을 근본적으로 설명하지 못한다. 즉, 일반적인 정의의 온도는 열역학 제 0법칙에 기초해야한다. (반면 뒤에 열역학적 정의는 열역학 제 0법칙과 아무런 관련이 없으며, 열역학적 정의는 오히려 열역학 제 0법칙을 증명할 수 있다)
- 둘째, 일반적인 온도를 정의함에 있어서 온도의 상대적인 높낮음을 통해서 온도의 기준을 정의하였는데, 그 기준에 물리적인 의미를 부여할 수 없다. 즉 일반적인 온도의 온도기준은 온도의 상대적인 높낮음에 순서를 나타낼 뿐 물리적인 의미를 가지지 않는다.[2]
단위
전세계적으로 자주 쓰이는 온도의 단위로는 셀시우스도(°C, 섭씨(攝氏)온도), 파렌하이트도(°F, 화씨(華氏)온도), 그리고 켈빈(K)이 있다. 켈빈을 제외한 모든 단위 표기에서 °는 '간격'을 의미하며, 기준이 되는 두 측정값을 n등분한 것이 단위 수치 1임을 의미한다. 요컨대 각도의 1°가 시초선을 기준으로 한 1회전(또는 n+1회전과 n회전의 차)의 360등분인 것처럼, °가 붙은 단위들은 정의에 기준이 되는 두 기준점이 따로 존재한다(후술). 이에 반해 켈빈은 열역학적으로 물질의 종류를 막론하고 그 물질이 가진 에너지가 0J이 되는 절대적인 기준점(절대영도)을 바탕으로 짜여진 온도 체계이기 때문에 ° 기호가 붙지 않는다. 화씨온도의 눈금 간격을 유지한채로 영점이 절대영도와 같아지도록 조정한 랭킨온도(기호 °R)라는 온도 체계도 있는데, 국제적으로 공인된 것은 아니나 절대온도처럼 이 체계 역시 0°R이 물질의 에너지가 0J이 되는 절대 기준점이기 때문에 도(°) 기호를 뗀 R로 나타내는 교과서도 더러 있다.
°C와 °F는 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°C, 77°F를 각각 서양에서 '25도 셀시우스(25 degree celsius)', '77도 파렌하이트(77 degree fahrenheit)'라고 읽는 반면 동양에서는 '섭씨(C) 25도', '화씨(F) 77도'로 읽는다. 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 정도다.
요컨대 위 인용문에서 외국인은 '(화씨) 90도'(= 섭씨 32도)를 의도한 건데 조선인은 '(섭씨) 90도'로 오해한 것이다. 화씨온도 체계는 물의 어는점이 32°F, 끓는점이 212°F로 섭씨온도 체계에 비해 수치도 크고 간격도 크기 때문에 특히 기온을 얘기할 때 뭔가 감각적으로 이상하다 싶으면 십중팔구 단위가 문제인 것이다. 참고로 90°F≒32.2°C, 90°F≒32.2°C이고, 90°C=194°F이다. 이 밖에도 오늘날엔 사실상 쓰이지 않는 단위들이 있는데 낮은 인지도를 반영하듯 이들은 단위 특수 문자도 할당이 안 돼있다. 만들어진 시기의 순서대로 나열하면 다음과 같다.
- 뉴턴도(°N, 우돈(牛顿; 牛頓), 1701년) : 아이작 뉴턴이 고안했다. 물의 어는점을 0°N 끓는점을 33°N으로 정의한다. 이렇게 특이한 간격이 쓰인 이유는 온도계를 만들 때 아마인유를(아마씨의 기름) 썼기 때문이다. 구체적인 눈금을 매겨 오늘날 관점에서 '온도계'라고 부를 만한 물건으로서는 사상 최초이다. 다빈치 코드로 유명한 댄 브라운의 로스트 심벌에서 나와서 인지도가 제법 있다.
- 뢰머도(°Rø, 나씨(羅氏), 1702년경) : 덴마크의 천문학자 올레 크레스튼슨 뢰머(Ole Christensen Rømer, 1644~1710)[8]가 고안했다. 물의 어는점을 7.5°Rø, 끓는점을 60°Rø로 정의한다. 어는점이 어중간한 이유는 처음에 소금물(brine)의 어는점을 0°Rø라고 정의했기 때문이다.
- 레오뮈르도(°Reˊ, 열씨(列氏), 1730년) : 프랑스의 물리학자 르네 앙투안 페르숄 드 레오뮈르(René Antoine Ferchault de Réaumur, 1683~1757)가 고안했다. 물의 어는점을 0°Reˊ, 끓는점을 80°Reˊ로 정의한다.
- 들릴도(°D, 덕리이(德利尔; 德利爾), 1732년) : 프랑스의 천문학자 조제프 니콜라 들릴(Joseph-Nicolas Delisle, 1688~1768)이 고안했다. 물의 끓는점을 0°D, 어는점을 150°D로 정의한다.
- 웨지우드도(°W, 18세기) : 영국의 도공 조지아 웨지우드(Josiah Wedgwood, 1730~1795)가 고안했다. 1077.5°F≒580.8°C를 0°W로, 1눈금의 간격을 130°F≒72.2°C로 정의했었다. 이런 이상한 체계를 만든 이유는 당시 최고 온도를 측정할 수 있는 온도계가 수은 온도계밖에 없었는데, 이마저도 수은의 끓는점인 356°C가 측정 한계였고 특히 그 자신이 도공이었던 만큼 도자기나 유리 제조, 야금술 등 수은 온도계의 한계치를 훌쩍 뛰어넘는 분야에서는 쓸 수 없다는 문제가 있었기 때문이다. 0°W를 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 0°W=517°F≒269°C로, 1눈금은 62.5°F≒34.7°C로 수정되었으나 이마저도 부정확한 것으로 밝혀졌고, 아예 파이로미터(pyrometer)가 개발되면서 웨지우드도는 완전히 버려졌다.
- 랭킨도(°R, 난씨(蘭氏), 1859년) : 영국 스코틀랜드의 공학도이자 물리학자인 윌리엄 존 머퀀 랭킨(William John Macquorn Rankine, 1820~1872)이 고안한 체계로, 셀시우스도 - 켈빈의 관계를 화씨에 적용한 것이다. 즉 1눈금의 간격은 화씨와 동일하고(셀시우스도의 1.8배) 0K=0°R로 정의한다. 0°C=32°F, 0K=−273.15°C이므로 환산하면 0°R=−459.67°F가 된다. 이에 따라 물의 어는점은 491.67°R이며 끓는점은 671.67°R가 된다.
이 밖에도 네덜란드의 라이덴에 위치한 저온 연구소에서 독자적으로 썼었다고 알려진 라이덴도(Leiden scale)도 있으나, 공식적으로 쓰인 단위는 아닌 듯 자료가 거의 남아있지 않다. 참고로 셀시우스도, 파렌하이트도, 켈빈은 각각 1742년, 1724년, 1848년에 최초로 고안되었다.[3]
실제온도와 체감온도의 차이[편집]
날씨예보를 보고 집을 나설 때 실제 기온이 매우 낮은데도 생각보다 춥지 않게 느껴질 때도 있고, 실제온도가 별로 낮지 않은데도 무척 춥게 느껴졌던 경험이 모두 있다. 체감온도는 말 그대로 우리가 덥거나 춥다고 체감하는 정도를 나타낸 온도로, '느낌온도'라고도 한다. 같은 온도라도 바람이 부는 날에는 날씨가 더 춥게 느껴지곤 한다. 체감온도는 기온 외에도 습도, 바람이 부는 정도 햇볕의 양 등에 따라 달라진다. 외부적인 요인 외에도 개인적인 체질이나 심리 상태 등도 춥다고 느끼는데 영향을 미친다. 사람마다 춥다고 느끼는 정도가 다르기 때문에 정확한 산출은 어렵기도 한다. 체감온도를 산출하는 데에는 여러 가지 방법이 있는데, 대한민국 기상청에서는 다음과 같은 방법으로 체감온도를 측정하고 있다.
겨울철에 바람이 세게 불면 사람의 피부에서 열이 빠져나가 체온이 더욱 떨어지게 된다. 기상청에서는 이러한 겨울 날씨의 특성을 고려하여 11월부터 3월까지 매일 3시간 간격으로 일 8회 체감온도를 예보하고 있다. 체감온도 산출에는 여러 방법이 있는데, 기온 이외에 습도, 바람 등의 다양한 영향을 고려하여 체감온도를 계산한다. 한국 기상청은 기상청은 아래와 같은 공식을 사용하고 있다.
- 체감온도(℃)=13.12 + 0.6215T - 11.37V0.16 + 0.3965V0.16T
- ※ (T=기온(℃), V=풍속(km/h))
대한민국이 사용하고 있는 체감온도 산출식은 2001년 8월 캐나다 토론토에서 열린 Joint Action Group for Temperature Indices(JAG/TI) 회의에서 발표된 것으로 미국과 캐나다 등 북아메리카 국가들을 중심으로 가장 널리 사용되고 있다. 하지만 일반 사람들이 이런 공식에 따라 체감온도를 계산하기는 쉽지 않다. 보통은 영하의 기온에서 바람이 초속 1m 빨라지면 체감온도는 2℃가량 떨어진다고 생각하면 쉽다. 휴대용 온도계 뒷면의 체감온도표나, 별도의 계산표를 이용하면 편리하다. 실제 온도보다는 체감온도에 맞춰서 겨울철을 따뜻하게 대비하는 것이 좋다. 일기예보에서 공식에 따라 발표하는 체감온도라 하더라도 사람마다 느끼는 정도가 다르므로 각자의 체질과 건강 상태에 맞게 겨울철 보온대책을 세워야 한다.[4]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
- 〈온도차〉, 《네이버 국어사전》
- 〈온도차〉, 《대한건축학회 건축용어사전》
- 〈온도〉, 《위키백과》
- 〈온도〉, 《나무위키》
- 서울시교육청, 〈실제온도와 체감온도가 다른 이유는?!:체감온도 산출법 알아보기〉, 《네이버 블로그》, 2017-12-12
같이 보기[편집]
