온도(temperature)는 물체의 차갑고 뜨거운 정도를 나타내는 물리량이다. 온도의 SI 기본 단위는 K(켈빈)이지만, 일상생활에서는 ℃(섭씨)나 °F(화씨)를 주로 사용한다. 영국의 켈빈 경(윌리엄 톰슨)의 이름을 딴 켈빈 온도(K)는 열역학에서 쓰인 절대온도 단위로, 절대 0도(0K)는 고전 열역학적인 의미에서 계의 모든 열적 운동이 멈추는 온도이다.
SI 단위에서는 2018년까지 물의 3중점을 273.16K로 정의하였지만, 2019년 5월부터 볼츠만 상수를 정확히 1.380649× 10⁻²³J ∙ K⁻¹로 정할 때 정의된 온도로 켈빈 온도를 정의한다.
스웨덴 과학자 안데르스 셀시우스의 이름을 딴 섭씨온도 역시 SI 유도 단위이고, 현재 미국, 바하마, 벨리제, 케이먼 군도, 리비아를 제외한 전 세계 모든 나라에서 사용하고 있다. 섭씨온도는 1기압에서 물의 어는점을 0℃로, 물의 끓는점을 100℃로 정하여 만들어진 온도이다. 화씨 온도(°F)는 1724년 네덜란드-독일-폴란드 물리학자인 파렌하이트(Fahrenheit)가 처음 제안하였다. 초기에 화씨온도는 동일한 양의 얼음, 물, 염화암모늄으로 이루어진 염용액의 어는점을 0°F로 정의하였다. 나중에는 얼음의 녹는점을 32°F 로, 인간의 체온을 96°F로 정의하여 사용하였다. 현재의 화씨온도는 1기압에서 물의 어는점을 32°F로, 물의 끓는점을 212°F로 정하여 만들어진 온도이다. 화씨온도는 현재 미국, 팔라우, 미크로네시아, 마셜 군도, 바하마, 케이맨 군도, 리비아 등에서만 사용하고 있다.
개요
온도는 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 온도의 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.
온도 단위 간의 관계
섭씨온도와 켈빈 온도의 관계는 다음과 같다. 예를 들면, 25℃는 298.15K와 같다.
K = ℃ + 273.15
섭씨온도와 화씨온도의 관계는 다음과 같다. 예를 들면, 25℃는 77°F와 같다.
°F = ℃ × 9/5 +32
열학에서의 온도
열역학에서 온도는 열의 형태로 에너지가 자발적으로 전달되는 방향을 결정하는 인자이다. 예를 들면, 온도가 다른 두 물체가 서로 맞닿아 있다면 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 열이 전달된다. 이를 열역학적 온도라고 한다. 열역학적 온도 T의 단위는 K(켈빈)으로, T=0이 가장 낮은 온도 (절대 0도)이다.
통계 열역학에서 온도는 계의 확률 분포를 결정한다. 예를 들면, 정준 앙상블(canonical ensemble)에서 계가 에너지 상태 Ej(E₀=0 ≤E₁≤ E₂≤...)를 가질 확률(P(Ej))은 다음과 같이 볼츠만 인자(Boltzmann factor)에 비례한다.
여기서 KB는 볼츠만 상수이다. 만약 T=0이라면, Ej>0인 에너지를 갖는 계는 존재하지 않는다. 즉, 모든 계는 바닥 상태 (Ej=0)에 존재한다. 반대로 T → ∞이라면, 와 상관없이 모든 계가 존재할 확률은 같다. 그렇다면 유한한 온도에서 에너지 상태에 따른 계의 분포는 어떻게 될까? 에너지가 낮은 계가 존재할 확률이 지수적으로 증가한다. 이를 볼츠만 분포라고 한다. 이러한 계의 확률 분포와 온도의 관계로부터 음의 절대 온도 개념이 나온다. 계의 확률 분포가 역전되는 시스템, 즉 에너지가 높은 계가 존재할 확률이 지수적으로 증가하는 시스템 온도는 0보다 작다. 즉, 절대 온도가 음이다. 이러한 개념을 실험적으로 선보인 연구가 최근에 등장하였다.
동역학 이론에서의 온도
동역학 이론 중 하나인 등분배 이론(equipartition theorem)에 의하면 열역학 조건(또는 높은 온도)에서 자유롭게 움직이는 분자의 자유도 (예를 들면, 3차원 자유 입자의 경우 x-방향, y-방향, z-방향 등 총 3개 자유도를 가짐)마다 평균적으로 kBT/2만큼 에너지가 분배된다. 즉, 자유롭게 움직이는 단원자 분자의 경우 3kBT/2의 평균 병진 운동 에너지를 갖는다. 분자의 경우 회전 운동과 진동 운동도 존재하므로 각 운동에 에너지가 분배된다. 선형 분자의 경우 2kBT, 비선형 분자의 경우 3kBT/2의 회전 운동 에너지를 갖는다. 진동 운동에 분배되는 에너지는 좀 더 복잡하다
기체의 속도 분포 역시 온도와 연관되어 있다. 자유롭게 움직이는 기체의 속력 분포 [f(v)]는 맥스웰-볼츠만 분포(Maxwell-Boltzmann distribution)로 표현할 수 있다.
여기서 M과 R은 각각 기체의 분자량과 기체 상수이다.
위 그림에서 알 수 있듯이, 온도가 높아질수록 속력 분포가 더 넓어지고, 평균 속력 또한 커진다(Vmean ∝ √T).
참고자료
- 〈온도〉, 《화학백과》
- 〈온도〉, 《위키백과》
같이 보기
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