안녕하세요. 정유현 기자입니다. 코로나는 우리의 생활에 큰 영향을 주고 있습니다. 그 중에 하나가 우리가 어디를 가던지 우리 몸의 온도인 체온을 자주 측정한다는 것입니다. 특히 건물 안을 들어가려면 비접촉식으로 우리의 체온 측정이 필 수가 되었습니다. 저도 매일 학교에 등교할 때 학교 건물 앞에서 한 번, 교실에서 한 번 총 두 번의 체온을 측정하고 있습니다. 그럼 이번 기사에서는 온도란 무엇이고 온도를 어떻게 측정하는지에 대해서 알아보고 온도계에 숨어있는 화학 원리에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

[등굣길 체온 측정, 출처: https://n.news.naver.com/mnews/article/022/0002070238]

온도란 무엇인가?

온도는 뜨거운 정도, 혹은 차가운 정도를 숫자로 나타낸 것을 말합니다. 그럼 어떠한 기준으로 뜨겁고 차가운 정도를 결정할 수 있을까요? 우리 생활에 가장 중요한 물질인 바로 물을 이용하여 사람들은 온도를 결정하였습니다. 물이 얼음이 되는 온도(어는점)과 물이 수증기가 되는 온도(끓는점)를 기준으로 그 사이를 일정 간격으로 나누어서 물체의 뜨겁고 차가운 정도를 숫자로 표시하였습니다.

일상생활에서 가장 널리 사용되는 온도의 단위는 섭씨 온도입니다. 기호로는 ℃라고 표시합니다. 1기압(대기압)에서 물이 어는 온도를 0℃도, 물이 끓는 온도를 100℃로 하여, 그 사이를 100 등분하여 숫자로 나타낸 것입니다. 스웨덴의 물리학자인 안데르스 셀시우스가 처음으로 이 온도 단위를 창안하였습니다. 저는 2학년때 미국에서 생활한 적이 있는데 날씨 뉴스를 보면서 또다른 온도의 단위가 있다는 사실에 깜짝 놀랐습니다. 바로 화씨온도입니다. 화씨 온도는 독일의 과학자 다니엘 가브리엘 파렌하이트가 창안하였으며, 기호로는 ℉라고 표시합니다. 화씨온도는 물의 어는 온도를 32℉, 물이 끓는 온도를 212℉로 하고, 그 사이를 180등분하여 숫자로 나타낸 것입니다. 처는 처음 화씨 온도를 접했을 때 숫자가 너무 커서 이상하게 느껴졌습니다. 물론 섭씨 온도와 화씨 온도는 아래의 식을 이용하여 서로 바꿀 수 있습니다.

[°C] = ([°F] − 32) ×  5 / 9

대한민국을 비롯한 동양에서는 섭씨 온도를 사용하고, 미국을 비롯한 서양에서는 화씨 온도를 사용합니다. 그러나 제 생각에는 이렇게 두 가지 단위의 온도를 사용하는 것은 세계적으로 소통하는데 너무 불편한 일들이 많을 것 같다고 생각합니다. 나중에는 꼭 온도의 단위가 하나로 통일되어 세계인이 하나의 온도 단위를 사용하면 좋을 것 같습니다. 물론 가능하면 우리나라 친구들이 익숙한 섭씨 온도로 통일이 되면 좋겠습니다 .

온도계의 종류 및 그 속에 숨어 있는 화학 원리

① 갈릴레오 온도계

인류 최초의 온도계가 바로 갈릴레이 온도계입니다. 우리가 생각하는 일반적인 온도계와는 다르게 너무나 이쁜 온도계입니다. 어떤 액체속에 다양한 색깔과 밀도를 구슬들을 넣고 구슬들이 가라앉고 뜨는 원리를 이용하여 만든 온도계입니다. 1600년대 초반에 발명된 온도계로, 여러분들이 아는 유명한 과학자 갈릴레오 갈릴레이의 이름을 딴 온도계입니다. 단, 갈릴레이는 온도가 변하면 액체의 밀도가 변한다는 화학원리를 발견하였고, 그 이후에 제자들이 이 온도계를 직접 만들었습니다. 그럼 갈릴레이 온도계에 숨어 있는 화학원리를 간단히 설명해 보도록 하겠습니다.

[갈릴레오 온도계, 출처: https://blog.naver.com/kma_131/221275215078]

우리가 물에 기름을 부으면 기름이 물위에 뜨는 현상을 볼 수 있습니다.  밀도가 작은 것은 밀도가 큰 것 위로 뜨기 때문입니다. 밀도란 단위 부피당 질량이라고 정의하고 각 물질마다 고유의 값을 가집니다. 온도계 속 구슬이 온도에 따라 가라앉고 떠오르는 것도 바로 이 온도에 따른 밀도 변화 때문입니다. 갈릴레이가 발견한 원리처럼 온도가 높아지면 온도계 액체의 밀도가 작아집니다. 그럼 상대적으로 밀도가 커진 구슬들이 가라앉게 되고 반대로 온도가 낮아지면 떠오르게 되는 것입니다. 온도가 표시된 꼬리표를 단 구슬에 된 서로 다른 밀도의 액체를 넣어서 액체 온도를 변화시킬 때 가라앉지 않고 떠있는 구슬 중 가장 낮은 온도가 표시된 구슬의 온도를 읽어서 온도를 결정할 수 있습니다.

그럼 왜 액체의 밀도는 온도에 따라 변하는 걸까요? 아래 그림과 같이 온도가 올라갈수록 액체 내의 분자의 운동이 활발해지고 부피가 커지게 됩니다. 이에 따라 밀도는 작아지게 되는 것입니다. 생각보다 간단한 원리입니다. 이렇게 간단한 화학원리를 이용하여 온도계를 만든 갈릴레이와 그 제자들은 정말 멋진 과학자라고 생각이 됩니다. 알록달록하고 예쁜 온도계를 저도 다음 생일 선물로 받고 싶습니다.

[온도에 따른 액체의 부피변화, 출처: 네이버 지식백과]

② 알코올 및 수은 온도계

우리가 일상생활에서 가장 흔하게 볼 수 있는 온도계가 바로 알코올 온도계입니다. 좁은 유리관에 붉게 염색한 알코올을 채워서 온도에 따른 알코올의 부피변화에 의해서 온도를 측정하는 온도계입니다. 유리관 내부의 알코올을 과도하게 팽창시키면 온도계가 터질 수 있으니 너무 높은 온도의 측정은 피해야 합니다. 수은 온도계도 원리는 알코올 온도계와 같지만 안에 알코올 대신 수은을 채운 온도계입니다. 일반적으로 알코올 온도계보다 정확하고 높은 온도에서도 사용할 수 있는 장점이 있으나 수은의 인체 유해성으로 우리나라에서는 2015년부터 제조 및 수입이 금지되었습니다.

[알코올 온도계, 출처: 네이버 지식백과]

갈릴레이 온도계가 액체의 밀도의 변화에 따라 고체 구슬이 뜨고 가라 앉는 성질을 이용하여 온도를 측정하였다면, 알코올과 수은 온도계는 알코올과 수은이 온도에 따라서 일정한 비율로 부피가 팽창하고 수축하는 원리를 이용하여 온도를 측정하였습니다. 즉 갈릴레이 온도계보다 온도에 따른 액체의 부피변화를 더 직접적으로 이용한 온도계라고 할 수 있습니다.

그런데 여기서 하나의 궁금증이 생깁니다. “왜 알코올과 수은을 주로 이용하였을까요?” “다른 액체를 이용하여 온도계를 만들 수 없을까?” 하는 궁금증입니다. 온도계를 활용될 수 있는 액체는 다음과 같은 3가지 성질이 필요합니다.

(1) 온도 변화에 따른 부피변화가 일정해야 합니다.

(2) 어느 일정한 온도 범위내에서 액체로 존재할 수 있어야 합니다. 너무 쉽게 얼거나 끓으면 온도계 액체로 사용할 수 없습니다.

(3) 온도에 따라 부피가 적당하게 팽창해야 합니다. 너무 크게 팽창하는 물질을 사용하면 온도계의 크기가 너무 커지고 너무 작게 팽창하는 물질을 사용하면 온도의 변화를 눈금으로 확인하기 어렵기 때문입니다.

따라서 위의 3가지 성질을 잘 만족하는 물질이 바로 알코올과 수은인 것입니다. 우리가 가장 흔하게 볼 수 있는 물은 어떨까요? 물의 경우 온도가 내려가면서 점점 부피가 줄었다가 4도씨 이하의 온도부터는 오히려 부피가 늘어나기 때문에 온도계 액체로 사용하기 적합하지 않습니다. 또한 물은 1℃ 올라가는데 너무 많은 에너지가 들어가는 물질이어서 빠른 온도 측정이 어렵고, 0℃에서 얼고 100℃에서 끓어서 측정할 수 있는 온도의 범위가 좁다는 단점이 있습니다.

③ 적외선 온도계

코로나 19이후에 모든 것이 비접촉으로 진행하는 기술들이 많이 발달하였습니다. 온도계도 접촉식 온도계보다 적외선을 이용한 비첩촉식 온도계가 점차 많이 활용되고 있습니다. 여러분들이 건물에 들어갈 때, 잠깐 카메라 앞에 멈추어 서서 체온을 측정한 경험이 많을 것입니다. 이것이 바로 적외선을 이용한 비접촉식 온도계를 이용한 것입니다. 그럼 어떻게 접촉하지도 않았는데도 온도를 측정할 수 있을까요? 여기에도 재미있는 화학 원리가 숨어 있습니다.

[적외선 온도계, 출처: https://blog.naver.com/ecohitec001/222676121116, https://blog.naver.com/xtmqy1v/222778424486]

우선 적외선이 무엇인지 알아보겠습니다. 전기와 자기의 흐름에서 발생하는 전자기 에너지인 전자기파는 파장의 길이에 따라 아래 그림과 같이 분류가 됩니다. 인간의 눈으로 구분할 수 있는 가시광선보다 긴 파장을 가진 전자기파가 바로 적외선입니다. 즉, 태양이 방출하는 빛을 프리즘으로 분산시켜 보았을 때 적색선의 끝보다 더 바깥쪽에 있는 전자기파를 적외선이라고 합니다. 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열작용을 가지고 있는 것이 특징이며, 이 때문에 열선(熱線)이라고도 합니다. 그런데 놀랍게도 열을 가진 모든 물체는 적외선을 내뿜습니다. 물체가 가지고 있는 열을 적외선 형태로 방출하기 때문인데요. 물체의 온도가 높으면 높을수록 더 많은 적외선을 내보냅니다. 이 원리를 이용해 방출되는 적외선 양을 측정하여 물체의 온도를 알아내는 것입니다. 적외선 온도계는 측정된 적외선 양을 전자 신호로 증폭시킨 후 숫자로 나타내고, 우리는 화면에 나타난 숫자를 보고 물체의 온도를 알 수 있습니다. 기존의 온도계와는 다르게 직접 접촉하기 힘든 물체의 온도를 측정할 수 있다는 장점이 있습니다. 물체를 직접 접촉하지 않아 안전하며, 매우 빠르게 온도를 측정할 수 있습니다. 유리, 철강, 플라스틱 제조를 할 때 고온의 물질 온도를 측정하는데 활용되며, 사람의 몸에서 나오는 적외선을 감지하여 사람이 가까이 다가오면 자동으로 문이 열리는 자동문에도 활용이 됩니다. 또한 코로나 19로 인하여 대부분의 건물 입구에는 적외선 온도계가 설치되어 있는 것을 여러분들이 쉽게 볼 수 있습니다.

기사를 마치며…

이렇게 여러 종류의 온도계에는 각기 다른 재미난 화학원리가 숨어 있다는 것을 알 수 있었습니다. 코로나 19가 끝나서 모든 친구들의 체온이 365일 36.5로 유지되어 건물 입구에서 체온을 측정하지 않아도 되는 날이 하루 빨리 오길 기대하며, 온도계에 숨어 있는 화학원리 설명을 마치도록 하겠습니다.