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문제

(1) 우리의 온도감각은 과연 정확할까? 다음 그림처럼 세숫대야 두개를 준비해서 한쪽은 뜨거운 물(약 60℃)을 다른 쪽은 차가운 물 (약 10℃)을 붓는다. 여기에 양손을 담근 뒤 손의 감각이 무디어질 때쯤 되면 마른 수건으로 재빨리 닦은 뒤 미지근한 물이 담긴 대야에 손을 다시 담가 보자. 그리고 그 물의 온도가 몇도나 될까 예측해 보자.

온도계가 처음 등장한 것은 르네상스시대다. 그러나 고대 알렉산드리아시대에도 필론이라는 사람이 만든 '온도검기'라는 것이 있었다. 그로부터 1천5백년이 지난 뒤 갈릴레이가 기체 온도계를 발명했다. 이렇게 오랜 세월이 걸린 이유는 확실하지는 않지만 유리기구를 만드는 기술이 발달하지 못해서인 것 같다. 그러나 옛날에도 '뜨거운 정도' 나 '차가운 정도'를 눈대중으로 알아내는 경우가 많았다. 강이나 호수의 물이 얼 정도로 춥다든지 날씨가 따뜻해지면 강물도 풀린다든지 하는 것을 알고 있었을 뿐 아니라 청동을 녹여 주물로 만드는 기술이 전해져 물이 끓을 때 보다 청동이 끓을 때가 더 뜨겁다는 것도 알았다. 그런 아주 뜨거운 물체의 온도를 알려면 좀 더 정확한 방법이 필요했다.
 

(2) 다리미를 쓰다가 뜨거운 다리미 밑바닥에 손을 데어 본 경험이 있는 독자가 적지 않을 것이다. 얼마나 뜨거운 지를 데지 않고 알아 보려면 어떤 방법이 있을까? 그 방법 중의 하나로 어머니들이 흔히 쓰는 방법이 있다. 다리미 바닥에 물을 뿌린 뒤 증발되는 속도나 소리를 통해 알아보는 방법이다.
다음은 뜨거운 철판에 물을 떨어뜨렸을 때 물방울이 변하는 모습을 관찰한 것이다. 가장 뜨거운 철판을 설명한 것은?

① 뜨거운 철판 위에 물방울을 떨어뜨리면 닿는 부분부터 끓기 시작하기 때문에 기포가 격렬하게 일어나면서 끓는다.
② 뜨거운 철판 위에 물방울을 떨어뜨리면 닿기도 전에 기화돼 버린다.
③ 뜨거운 철판 위에 물방울을 떨어뜨리면 닿아서 끓다가 작은 물방울로 나눠져 구른다.
④ 뜨거운 철판 위에 물방울을 떨어뜨리면 닿는 부분이 기화돼 떼구르르 굴러 떨어 진다.

온도계의 원리를 처음 이용해 최초의 온도계를 만든 사람은 알렉산드리아의 필론(Philon von Byzanz B.C. 100년)이다. 필론이 만들었던 온도측정기의 원리를 설명하면 다음과 길다. 그림의 납덩이 A에 두군데 구부린 관 B를 공기가 새지 않도록 밀어 넣고 다른 한쪽 끝을 물 C 속에 꽂는다. 납덩이 A를 데우면 그 속의 공기가 물속으로 흘러 나가고 A가 다시 차가워지면 물을 빨아 들인다. 이때 A가 빨아들인 물의 양으로 A가 얼마나 뜨거워졌는지를 알 수 있다. 1600년 무렵 갈릴레이는 공기의 부피가 온도에 따라 팽창했다 수축했다 하는 점을 이용, 최초의 기체온도계를 만들었다.
 

(3) 갈릴레이 온도계는 무엇이 불편했을까? 아래 그림은 갈릴레이가 필론의 온도측정기를 본 따 만든 온도계다. 이 온도계는 여러가지 단점이 있어 곧 다른 온도계로 대체된다. 가장 큰 단점을 지적한 사람은?

① 아람:온도계를 들고 다니기가 불편하다.
② 보람:기압에 따라 달라지기 때문에 정확하지 않다.
③ 한솔:꼭 물 속에 담가야 하는데 물이 가끔 증발되므로 불편하다.
④ 예솔: 온도를 재는데 너무 오랜 시간이 걸린다.
 

갈릴레이와 게리케가 만든 기체온도계는 기압의 변화에도 눈금이 움직인다는 단점 때문에 널리 사용되지 않았다. 보다 정확한 온도계를 만들려면 압력에 따라 거의 부피가 변하지 않는 액체를 쓰면 좋을 것 같다. 그러나 액체의 팽창은 기체 보다 훨씬 작기 때문에 정밀한 장치를 만들지 않으면 안된다. 1640년 경에 벌써 이탈리아의 피렌체에서는 알코올온도계를 만들어 사용하고 있었다. 이 온도계는 우리가 지금 사용하고 있는 온도계와 원리상 별로 다르지 않다. 자, 그럼 우리도 알코올 온도계를 만들어 보자.

<;알코올 온도계 만들기>;

① 유리관 속에 모세관을 넣고 그 끝을 가열해 둥근 구를 만들어 보자.
② 스포이드로 유리관 속에 알코올을 넣는다. 이때 투명한 알코올이 잘 보이도록 빨간 잉크를 조금 타도 좋다.
③ 충분히 준비되면 마지막에 끓는 물 쪽에서 얼른 꺼내 적당한 길이(속에 담긴 알코올이 불에 안정할 만큼)를 유지하면서 버너로 끝을 막는다.

이렇게 자신이 만든 온도계로 여러가지 물질의 온도를 재 보자. 아울러 학교의 온도계와 얼마나 차이가 있는지도 알아보자.

(4) 알코올 온도계를 만드는 과정중 얼음물과 끓는 물에 번갈아 여러 번 넣어야 하는 이유를 바르게 말한 사람은?
① 아람:알코올을 넣을 때 생긴 기포를 없애기 위해
② 보람:모세관을 만든 유리가 강해지게 하려면 열번 쯤은 그렇게 해야 한다.
③ 한솔:물의 녹는 점과 끓는 점을 기준으로 한 정확한 온도계를 만들어야 하기 때문에
④ 예솔:알코올로 포화시켜야만 정확한 온도를 측정할 수 있기 때문에

정답

(1) 조금 귀찮더라도 직접 해 보자. 주변에서 구하기 쉬운 것들로 할 수 있으므로 직접 해 보기가 그리 어렵지 않다.
실제로 우리의 감각으로 온도를 예측하기란 무척 어렵다. 뜨거운 물에 넣었던 손은 차갑게, 차가운 물에 넣었던 손은 뜨겁게 느껴진다. 이처럼 우리가 보통 '차갑다', '뜨겁다' 하는 것은 그 앞에 '내 체온보다'라는 말이 생략돼 있다고 보아야 한다. 우리 감각은 금방 익숙해지는 버릇이 있어서 객관적인 사실을 근거로 삼기 어렵다. 흔히 우리는 자연현상을 자신이 느낀대로, 더 정확히 말해서는 '자기 중심적'으로 생각한다. 이런 태도는 과학적이라고 보기 어렵다.

(2) ④ 이 경우도 다리미나 철판을 이용, 실험해 보기로 하자. 뜨거운 철판에 물방울이 닿으면 물분자들은 큰 열에너지를 받아 증발하게 된다. 물이 적은 양일 때는 '치익'하는 소리와 함께 금방 증발해 버리지만 물의 양이 많을 때는 좀 다르게 나타날 것이다. 높은 온도에서 물방울은 철판에 닿자마자 수증기가 되어 날아가 버린다. 그러면 물방울이 여러조각으로 흩어지면서 떼구르르 구르는 모습을 볼 수 있다.

(3) ② 갈릴레이 온도계의 말을 전해 들은 파도바대학 의학교수 산토리오는 그 온도계로 체온도 측정했다. 게리케라는 독일사람도 큰 금속구와 U자관을 만들어 인형이 오르내리는 멋진 온도계를 만들었다. 그러나 이 모든 온도계의 가장 큰 단점은 온도의 변화없이 기압만 변해도 온도의 눈금이 변한다는 것이다. 그래서 기압이 변해도 정확한 온도를 측정할 수 있는 온도계의 필요성을 절실히 느끼게 되었다.
 

(4) ① 온도계를 사용하다 보면 온도계가 눈금의 중간에서 끊겨 버리는 경우가 많다. 그런 상황을 맞지 않으려면 알코올에 기포 가 생기지 않도록 철저하게 준비해야 한다. 끓는 물과 얼음 물에 번갈아 여러 번 넣으면 알코올에 남아 있던 기포가 나가게 된다.