요동하는 입자
모든 물질은 그 상태(고체 액체 기체)가 어떠하든지 끊임없이 요동하는 원자나 분자로 구성되어 있다. 물질 속의 원자나 분자는 이렇게 무질서한 운동을 하고 있으므로 운동 에너지를 갖고 있다. 우리가 감지할 수 있는 따뜻 하다거나 차다거나 하는 감각은 바로 이 입자들이 가지는 운동 에너지에 기인하는 것이다. 즉, 어떤 물체가 점점 따 뜻해진다면 그 물체 안에 있는 원자나 분자들의 운동 에너지가 점점 증가 하고있는것이다.
물질을 구성하는 입자의 운동 에너지를 증가시키는 것은 그리 어려운 일이 아니다. 동전의 경우 단지 해머로 두들기기만 하면 동전 속의 분자 운동이 활발해진다. 액체를 가열하면 따뜻해진다. 타이어 펌프 안의 공기를 갑자기 압축시켜도 그 공기는 따뜻해진다. 물체 속의 원자나 분자들의 운동이 빨라지면 운동 에너지가 증가하고 물체는 따 뜻해진다. 이 글에서는 "원자나 분자”를 따로 구분하지 않고 모두 포함한 "분자” 상태를 기준으로 하여 온도에 대해 논해보고자 한다. 그렇다면 추운 겨울 밤 우리의 몸을 따뜻하게 하는 것은 몸을 구성하고 있는 분자의 운동 에너지를 증가시키는 것으로 이해할 수 있다.
온도와 척도에 대해서
어떤 물체의 차고 더운 정도를 기준을 정해 수치로 나타낸 것을 온도라 한다. 대부분의 물질은 온도가 올라가면 팽창하고 내려가면 수축한다. 주로 사용되는 온도계는 눈금이 표시된 유리관 안에 들어있는 수은이나 붉은 색으로 염색된 알코올의 팽창과 수축을 이용한 것이다.
국제적으로 가장 널리 사용되는 온도의 척도는 섭(Celcius)씨 온도로서, 표준 압려에서 물의 어는점을 0으로, 끓는점을 100으로 하고 그 사이를 100등분하여 온도를 나타낸 것으로 단위는 Celcius의 C를 따서 C로 표기한다.
반면 미국에서 주로 사용되는 온도의 척도는 물이 어는점을 32, 끓는점을 212로 하고 그사이를 180등분하여 나타낸 것으로 화(Fahrenheit)씨 온도라고 한다. 오늘날 미국에서는 미터 단위계를 채택하게 되어 화씨 온도게는 더 이상 사용되지 않는다.
과학분야에서 사용되는 온도의 척도는 국제 단위계로, 켈빈(Kevlin) 온도라고 한다. 이 척도의 눈금 간격은 섭씨 온도와 같고, 단위는 '켈빈'이라고 부른다. 켈빈 온도에서는 가장 낮은 온도를 0으로 나타내고 절대 0도라 부른다. 절대 0도에서 물질의 운동 에너지는 최소값을 갖는다. 켈빈 온도의 절대 0도는 섭씨 온도로 -273C이다.
온도와 운동에너지
물체의 온도는 물질 분자의 무질서한 운동과 관련이 있다. 이상기체의 경우 온도는 물질 분자의 무게중심이 이동하는 운동인 병진운동 에너지와 비례한다. 고체나 액체는 분자들이 서로 결합되어있고, 분자력에 의한 위치 에너지를 가지기 때문에 양상이 좀더 복잡하다. 그러나, 고체나 액체의 온도도 분자들의 운동 에너지와 밀접한 관계가 있는 것은 확실하다. 뜨거운 물체의 표면에 손을 댔을 때 뜨겁게 느끼는 것은 물체 표면의 분자에서 손가락에 있는 분자로 운동 에너지가 전달되기 때문이다.
물체의 온도를 측정하는 것이 물질 분자들이 갖고 있는 운동에너지의 '전체량'을 측정하는 것은 아니다. 끓는 물 2리터의 전체 분자운동에너지는 1리터의 분자 운동 에너지의 2배이다. 그러나 두 경우 모두 온도는 같은데 그것은 분자의 "평균운동에너지"가 같기 때문이다.