물질의 온도는 물질의 뜨겁거나 차가운 정도입니다. 뜨거운 물질은 온도가 높은 것으로 말하고 차가운 물질은 온도가 낮은 것으로 말합니다. 따라서 물질의 온도는 물질 분자의 평균 운동 에너지를 나타냅니다. 열은 항상 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 흐릅니다. 따라서 물체의 온도는 열의 흐름을 지배하는 속성이라고도 할 수 있습니다.
이는 다음과 같이 쉽게 증명할 수 있습니다. 같은 재질의 두 물체를 함께 놓으면 온도가 더 높은 물체는 식고, 차가운 물체는 점점 따뜻해지며, 어떤 지점에 도달하면 더 이상 변화가 일어나지 않습니다.
열 평형
열 에너지는 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 흐릅니다. 다시 말해, 열은 더 뜨거운 물체에서 더 차가운 물체로 흐릅니다. 열 에너지는 두 물체의 온도가 같아질 때까지 더 뜨거운 물체에서 더 차가운 물체로 계속 흐릅니다. 이 단계에서 두 물체는 열 평형 상태에 있다고 합니다. 두 물체가 같은 온도에 도달하면 서로 열 평형 상태에 있다고 합니다. 왜냐하면 그러면 한 물체에서 다른 물체로 열이 흐르지 않기 때문입니다. 이렇게 도달한 온도를 평형 온도라고 합니다.
따라서 이제 우리는 온도란 두 시스템이 열 평형에 있을 때 동일한 양이라고 말할 수 있습니다.
열역학 제로법칙
열역학 제로 법칙은 "두 시스템이 각각 다른 시스템과 열 평형 상태에 있다면, 두 시스템 역시 서로 열 평형 상태에 있어야 하며, 시스템의 종류에 관계없이 모두 같은 온도를 갖는다"고 명시합니다.
이 법칙은 다음과 같이 다시 표현될 수 있다.
세 개 이상의 시스템이 함께 결합되었을 때 열 접촉 및 열 평형 상태에 있을 경우, 두 시스템 중 어느 것이든 함께 결합되면 서로 평형 상태에 있게 된다.
온도 스케일링
표준 온도 척도를 만들려는 최초의 시도 중 하나는 아주 오래전에 있었는데, 갈렌이 의학 저술에서 끓는 물과 얼음을 같은 양으로 하여 만든 표준 "중립" 온도를 제안했을 때였습니다. 이 온도의 양쪽에는 각각 4도의 열과 4도의 차가움이 있었습니다. 온도를 측정하는 데 사용된 최초의 장치는 열경이라고 불렸습니다. 이 장치는 아래쪽으로 뻗어 있는 긴 튜브가 있는 유리 전구로 구성되어 있었지만, 갈릴레오는 1610년에 와인을 사용했다고 합니다. 전구의 일부 공기는 액체에 넣기 전에 배출되었고, 액체가 튜브로 올라갔습니다. 전구에 남아 있는 공기가 가열되거나 냉각됨에 따라 튜브의 액체 수위가 기온의 변화를 반영하여 달라졌습니다. 튜브에 새겨진 눈금은 변동을 정량적으로 측정할 수 있게 해주었습니다. 전구의 공기는 온도계 매체, 즉 온도에 따라 특성이 변하는 매체라고 합니다.
1641년, 공기 대신 액체를 온도 측정 매체로 사용한 최초의 밀폐형 온도계가 토스카나 대공 페르디난트 2세를 위해 개발되었습니다. 그의 온도계는 봉인된 알코올 유리 장치를 사용했으며, 막대에 50도 "도" 표시가 있었지만 눈금을 0으로 맞추는 데 "고정점"을 사용하지 않았습니다. 이를 "스피릿" 온도계라고 불렀습니다.
1664년 왕립학회 큐레이터인 로버트 후크는 알코올에 붉은색 염료를 사용했습니다. 그의 저울은 모든 도가 온도계 액체 부피의 약 1/500 부분에 해당하는 동일한 부피 증가를 나타내며, 고정된 지점이 하나만 필요했습니다. 그는 물의 빙점을 선택했습니다. 이런 식으로 스케일을 조정함으로써 후크는 다양한 크기의 온도계에 대한 표준 스케일을 설정할 수 있음을 보여주었습니다. 후크의 원래 온도계는 그레셤 칼리지의 표준으로 알려졌고 왕립학회에서 1709년까지 사용되었습니다.
(최초의 이해할 수 있는 기상 기록은 이 척도를 사용했습니다.) 1702년, 코펜하겐의 천문학자 올레 뢰머는 눈(또는 부서진 얼음)과 물의 끓는점이라는 두 가지 고정된 지점에 그의 척도를 기초로 했고, 그는 이 온도계로 1708-1709년 코펜하겐의 일일 기온을 기록했습니다.
1724년, Däanzig와 Amsterdam의 기구 제작자 Gabriel Fahrenheit가 수은을 온도계 액체로 사용했습니다. 수은의 열 팽창은 크고 상당히 균일하며, 유리에 달라붙지 않으며 광범위한 온도 범위에서 액체 상태를 유지합니다. 은빛 외관 덕분에 읽기 쉽습니다.
화씨는 수은 온도계의 눈금을 어떻게 조정했는지 다음과 같이 설명했습니다.
"온도계를 소금 암모니아 또는 바닷소금, 얼음, 물의 혼합물에 넣으면 눈금에 0으로 표시된 지점이 생깁니다. 소금 없이 같은 혼합물을 사용하면 두 번째 지점을 얻습니다. 이 위치를 30으로 표시합니다. 건강한 사람의 열을 얻기 위해 온도계를 입에 넣으면 96으로 지정된 세 번째 지점을 얻습니다."
화씨는 이 척도에서 물의 끓는점을 212도로 측정했습니다. 나중에 그는 물의 어는점을 32도로 조정하여 물의 끓는점과 어는점 사이의 간격을 더 합리적인 숫자인 180으로 나타낼 수 있었습니다.
이 척도로 측정한 온도는 화씨(°F)로 지정됩니다. 1745년 스웨덴 우프술라의 칼로루스 린네우스는 물의 빙점을 0으로 하고 비등점을 100으로 하는 척도를 설명했는데, 이를 섭씨(100단계) 척도로 만들었고 각 단계를 "도(degree)"라고 불렀습니다. 안데르스 셀시우스(1701-1744)는 100이 물의 빙점, 0이 비등점을 나타내는 역척도를 사용했지만, 물론 두 고정점 사이에는 100도가 있었습니다.
1948년에 섭씨 온도계는 섭씨 온도계(° C)를 사용하는 새로운 온도계로 대체되었습니다. 섭씨 온도계는 이 글에서 나중에 논의할 다음 두 가지 항목으로 정의됩니다.
- 물의 삼중점은 0.01°로 정의됩니다.
- 섭씨 1도는 이상 기체 1도와 동일한 온도 변화와 같습니다.
섭씨 온도계에서 표준 대기압에서 물의 끓는점은 99.975℃인 반면 섭씨 온도계에서는 100도를 기준으로 합니다.
섭씨에서 화씨로 변환하려면 1.8을 곱하고 32를 더합니다. ° F = 1.8° C + 32 ° K = ° C + 273.
1780년 프랑스 의사인 JAC 샤를은 온도가 같은 수준으로 상승하면 모든 기체의 부피도 같은 수준으로 증가한다는 것을 보였습니다. 기체의 팽창 계수가 거의 같기 때문에 화씨와 섭씨와 같이 두 개의 고정점 척도가 아닌 하나의 고정점을 기준으로 온도 척도를 설정할 수 있습니다. 이는 기체를 온도계 매체로 사용하는 온도계로 돌아갑니다.
일정 부피 가스 온도계에서, 예를 들어 수소와 같은 가스의 큰 벌브 B는 설정된 압력 하에서 매우 작은 부피의 튜브를 통해 수은으로 채워진 "압력계"와 연결됩니다.(벌브 B는 온도 감지 부분이며 거의 모든 수소를 포함해야 합니다). 수은 저장고 R을 올리거나 내리면 C의 수은 수준을 조정할 수 있습니다. 온도와의 선형 관계에서 "x" 변수인 수소 가스의 압력은 수준 D와 C의 차이에 위의 압력을 더한 것입니다. 1887년에 채프는 수소, 질소, 이산화탄소를 온도계 매체로 사용하여 일정 압력 또는 일정 부피의 가스 온도계에 대한 광범위한 연구를 수행했습니다. 그의 결과를 바탕으로, Comité International des Poids et Measures는 얼음점(0°C)과 증기점(100°C)의 고정점을 기반으로 하는 일정 부피 수소 눈금을 국제 기상학의 실제 눈금으로 채택했습니다. 가스 온도계를 사용한 실험은 다양한 가스의 온도 척도에 거의 차이가 없다는 것을 보여주었습니다. 따라서 저압의 가스인 경우 온도계 매체와 무관한 온도 척도를 설정할 수 있습니다. 이 경우 모든 가스는 "이상 기체"처럼 작동하며 압력, 부피, 온도 간에 매우 간단한 관계가 있습니다. pV = (상수) T. 이 온도를 열역학적 온도라고 하며 현재 온도의 기본 척도로 받아들여지고 있습니다. 이 척도에는 자연스럽게 정의된 0이 있습니다. 이상 기체의 압력이 0이 되어 온도도 0이 되는 지점입니다. 이것이 척도의 한 지점이므로 다른 고정점은 하나만 정의하면 됩니다.
1933년 국제도량형위원회는 이 고정점을 물의 삼중점, 즉 물, 얼음, 수증기가 평형을 이루며 공존하는 온도로 채택했습니다. 그 값은 273.16으로 설정되었습니다. 이 척도의 온도 단위는 켈빈 경(윌리엄 톰슨, 1824-1907)의 이름을 따서 켈빈이라고 하며, 기호는 K(도 기호는 사용하지 않음)입니다.
섭씨에서 켈빈으로 변환하려면 273을 더하세요. K = ° C + 273.
열역학적 온도는 기본적인 온도이며, 단위는 켈빈으로, 물의 삼중점의 열역학적 온도의 1/273.16으로 정의됩니다.
1871년 윌리엄 지멘스 경은 온도에 따라 저항이 변하는 금속 도체인 온도계를 제안했습니다. 백금 원소는 고온에서 산화되지 않으며 넓은 범위에서 온도에 따라 비교적 균일한 저항 변화를 보입니다. 백금 저항 온도계는 현재 열전 온도계로 널리 사용되고 있으며 약 -260°C에서 1235°C까지의 온도 범위를 커버합니다.
다양한 온도 척도 간의 관계
때로는 한 온도 척도에서 다른 온도 척도로 온도 값을 변경하거나 변환해야 할 때가 있는데, 이를 위해서는 서로 다른 온도 척도 간의 관계가 필요합니다. 서로 다른 온도 척도 간의 관계는 다음과 같습니다.
C-0/100 = F-32/180 = K-273/100 = Re-0/80 = Ra-491.67/180
여기서 C, F, K, Re, Ra는 서로 다른 온도 척도를 나타냅니다. 0, 32, 273, 0, 491.67은 서로 다른 온도 척도의 하위 고정점을 나타내고 100, 180, 100, 80, 180은 서로 다른 온도 척도의 구분 수를 나타냅니다.
국제 온도 척도
최초로 국제적으로 인정된 온도 척도는 1927년 ITS-27의 국제 온도 척도였습니다. 그 목적은 지정된 고품질이면서도 실용적인 온도 측정법을 교정하여 얻은 온도 값이 기기 간, 센서 간에 간결하고 일관되면서도 동시에 기술 한계 내에서 적절한 열역학적 값에 근접하도록 하는 절차를 정의하는 것이었습니다. 이 목표는 오늘날에도 그대로 유지되고 있습니다. ITS-27은 산소의 비등점 바로 아래인 -200°C에서 금의 빙점 이상인 1065°C까지 확장되었습니다. 0°C 및 산소, 물, 유황의 비등점(445°C)에서 교정된 백금 저항 온도계에 보간 공식이 지정되었습니다. 660°C 이상에서는 Pt-10% Rh 대 Pt 열전대가 측정을 위해 지정되었습니다. 금점 이상의 광학 고온측정법이 사용되었으며 고정점의 값은 그 당시 가장 우수한 가스 온도측정 데이터를 기반으로 했습니다.
