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모든 물체에 온도가 있다는 것은 모든 물체를 만드는 분자들이 끊임없이 운동하고 있다는 이야기다. 이 운동이 전혀 없을 때의 온도가 바로 절대온도 0도가 된다.

우리 주위 물체들은 어떤 것은 뜨겁고 어떤 것은 차갑다. 이 뜨겁고 찬 정도를 우리는 온도로 정확히 표현할 수 있다. 그러면 어떤 것이 뜨거운 물체이고 어떤 것이 차가운 물체일까?

옛날 사람들은 물체가 뜨거운 것은 수소나 산소라는 원소가 있듯 '열소'라는 아주 가벼운 원소가 모든 물체 속에 있기 때문이라고 생각했다. 즉, 열소를 많이 가지고 있는 물체는 뜨겁고 이것을 조금 가지고 있는 물체는 차갑다고 본 것이다. 그리고 찬 물체와 더운 물체를 접촉시키면 열소가 뜨거운 물체에서 찬 물체로 이동하기 때문에 두 물체의 온도가 같아지는 것이라고 생각했다. 그 당시 과학자들은 열소를 찾아내기 위하여 열심히 노력했으나 열소라는 원소는 가상적으로만 존재할 뿐 실제로 발견되지는 않았다.

옛 사람들은 '열소 때문에 물체 뜨겁다' 생각

한참 후에 과학자들이 밝힌 열의 본질은, 열이라는 것이 어떠한 물질의 상태로 존재하는 것이 아니고 단지 물질을 이루는 작은 알갱이(원자나 분자)들의 운동상태의 차이라는 것이다. 분자들의 운동이 활발하면 할수록 뜨거운 물체이며 분자의 운동이 느리면 느릴수록 차가운 물체라는 것이다.

모든 물체에는 자기 온도에 해당되는 분자들의 운동이 있는 것인데, 가령 우리의 몸은 36.5℃이므로 우리의 몸을 이루는 분자들도 이 온도에 해당하는 운동을 하고 있다는 이야기가 된다.

망치질을 하다가 잘못하여 손가락을 때리면 손가락이 얼얼하고, 바느질을 하다가 손가락을 찌르면 따끔하다. 이렇게 손가락에 주는 자극의 종류에 따라서 느낌이 다른데, 뜨거운 물이 뜨겁게 느껴지는 것은 우리 손가락을 이루는 분자들의 운동보다 물 분자들의 운동이 더 빠르기 때문이다. 손가락을 이루는 분자들이 물분자들한테 심하게 맞게 되고 이것을 우리는 뜨겁다고 느끼는 것이다.

찬물과 더운물을 섞으면 미지근한 물이 된다. 이는 더운물의 물분자들의 속도는 빠르고 찬물의 물분자들의 속도는 느린데 속도가 빠른 분자들과 속도가 느린 분자들이 자꾸 충돌하게 되면 빠른 것은 느려지고 느린 것은 빨라져서 나중에는 속도가 비슷하게 되기 때문이다. 이것이 바로 미지근한 물이다. 모든 물체에 온도가 있다는 것은 모든 물체를 만드는 분자들이 끊임없이 운동하고 있다는 것이 된다.

그러면 움직여주는 힘이 없어도 분자가 끊임없이 운동할 수 있을까? 실제로 교실에서 공을 힘껏 튀게 하면 여기저기 튀다가 힘이 빠져서 결국은 가만히 서게 되는데, 그 이유는 무엇일까? 그것은 공이 움직이면서 받을 수밖에 없는 마찰 때문이다. 공기와의 마찰, 벽에 닿을 때의 마찰, 튀길 때 나는 소리… 이런 것들이 모두 공을 서게 하는 요인이 되는 것이다.

그러나 분자들이 운동하는 공간에는 공기가 없다. 공기도 분자로 이루어졌기 때문에 분자와 분자 사이에는 진짜로 아무 것도 없다. 가능성이 있는 일이란 오직 저희들끼리 부딪치는 일뿐인데 분자들끼리 부딪치는 것은 완전탄성충돌이기 때문에 속도가 줄어들지 않는다. 분자들이 야단법석 부딪치리라고 예상되는데도 전혀 소리가 나지 않는 것으로 보아 마찰이 전혀 없다는 것을 알 수 있다. 마찰이 없는 곳에서는 한번 가진 속도는 다른 입자의 속도를 그만큼 빠르게 하지 않고는 줄어들지 않는다.

큰 물체가 운동하는데 작은 물체가 앞을 가로막아서 큰 물체의 운동에너지가 작은 물체들의 운동에너지로 바뀌는 현상이 바로 마찰이므로 분자 수준에서는 마찰이라는 말 자체가 성립되지 않는다. 이러한 현상이 우리에게는 큰 물체가 마찰을 받아서 속력이 줄어들고 주위에 열이 발생하는 것으로 보이는 것이다. 물질의 가장 작은 단위인 분자나 원자들끼리도 물론 충돌이 일어날 수 있고 실제로 수없이 일어나고 있지만 충돌 후에는 열도 발생하지 않고 소리도 나지 않으며 운동에너지는 항상 보존된다.

찬 물수건을 머리에 얹어 뜨거운 머리를 식히는 것은 찬물의 분자가 머리를 이루는 분자의 운동을 빼앗아 대신 자신의 운동을 증대시킴으로써 머리를 식히는 것이다.

결론적으로 말해서 열이란 어떠한 물질이 아니고 모든 물질을 이루는 입자들의 운동에너지의 합이며, 온도는 그 운동이 얼마나 활발하냐하는 정도를 나타낸다.
 

물로 온도계를 만들 수 없는 이유는?

왜 날씨가 더우면 수은주가 올라갈까? 수은은 온도가 높아지면 올라가는 성질이 있는 것일가? 아니다. 그것은 분자들의 운동이 빨라짐에 따라 수은의 부피가 늘어나고 늘어날 수 있는 여지가 위쪽밖에 없으므로 할 수없이 올라가게 되는 것이다. 따라서 수은주가 높이 올라갈수록 부피가 많이 늘어난 것이고 온도는 높다고 말할 수 있다.

수은주의 높이에 눈금을 매기는 방법에 따라 세가지의 온도가 있다. 우리가 일상생활에서 쓰는 온도인 섭씨온도, 미국사람들이 사용하는 화씨온도, 과학자들이 자연현상을 탐구할 때 쓰는 절대온도가 그것이다.

각각의 온도계를 만드는 과정은 다음과 같다.

가는 유리관 대롱에 수은이나 알코올을 채운 다음 물에 넣고 알코올램프로 가열하면 물이 점점 뜨거워지고 수은주는 올라간다. 일단 끓은 다음에는 수은주 높이에 변동이 없는데, 여기에 표시를 한다. 이때의 온도를 '끓는점'이라고 한다. 가열을 중단하면 물이 식고 수은주는 내려간다. 충분히 식었을 때 얼음을 넣으면 다시 수은주의 높이에 변동이 없는 곳이 생기는데 여기에도 표시를 한다. 이 때의 온도가 '어는점'이다. 이 점과 물이 끓을 때 표시한 곳과의 길이를 재서 1백으로 나눈 값을 한 눈금으로 하여 0부터 눈금을 매기면 섭씨온도계가 되고, 2백73부터 눈금을 매기면 절대온도계가 된다.

또 녹는점과 끓는점 사이를 1백80으로 나누어 한 눈금으로 하고 32부터 눈금을 매기면 끓는점의 온도가 2백12°가 되는데 이렇게 눈금을 매긴 것이 화씨온도이다.

따라서 화씨온도가 섭씨온도보다 눈금이 촘촘하게 표시되고 같은 온도라도 섭씨온도보다 화씨온도가 숫자가 많이 나오게 된다. 미국방송의 일기예보에 나타나는, 터무니 없이 높은 온도는 화씨 온도로 나타냈기 때문에 그런 것이다.

그렇다면 섭씨 50℃는 화씨로 몇도가 될까? 화씨온도는 0부터 시작하는 것이 아니고 32부터 시작하기 때문에, 눈금수의 반이라고 해서 90℉라고 하면 안된다. 섭씨 50℃는 수은주가 물의 끊는 점과 어는점의 중간에 있다는 것이니까 화씨로는 1백80의 반인 90눈금만큼 올라갔을 것이고 화씨는 32부터 시작하기 때문에 90에다 32를 더하면 1백22℉가 된다.

일반적으로 섭씨온도를 화씨로 고치려면 화씨온도는 섭씨온도 1° 올라가는 데에 1.8°가 올라가므로 섭씨온도에다 1.8를 곱해서 32를 더하면 되고, 반대로 화씨온도를 섭씨온도로 고치려면 화씨온도에서 32를 뺀 다음 1.8로 나눈다.

온도라는 것은 분자들이 운동하는 정도를 나타내는 것이므로 온도가 내려가는 것은 분자들의 운동이 줄어드는 것을 의미하는데, 모든 분자들의 운동이 전혀 없을 때의 온도가 바로 섭씨 영하 2백73°라는 것이 밝혀져 있다. 따라서 섭씨 영하 2백73°이하의 온도는 있을 수가 없다. 그래서 '켈빈'이라는 과학자는 여기를 0°로 잡은 절대온도를 만들었는데 섭씨 0°는 자연히 절대온도 2백73°가 된다.

아무리 과학기술이 발달한다고 해도 온도가 내려가는 데에는 한계가 있으며 그것이 섭씨 -2백73℃이고 절대온도0도다. 반대로 분자들은 얼마든지 활발히 운동할 수 있으므로 온도가 올라가는 데에는 한계가 없다. 그래서 3천°, 6천°, 3억°, 1백억°는 있을 수 있지만 영하 3백°, 영하 1천°는 불가능한 것이다.

수은이나 알코올로 온도계를 만들 수 있다는데, 만약 물을 쓰면 어떨까? 수은이나 알코올은 온도에 따라 거의 일정하게 부피가 늘어나기 때문에 온도계에 이용할 수 있지만 물의 부피는 온도가 높아짐에 따라 일정한 비율로 팽창하지 않는다. 더구나 물은 섭씨 4℃일 때의 부피가 제일 작다. 만약 물로 온도계를 만들면 섭씨 4° 에서의 높이가 제일 낮게 되고 온도가 더 낮아지면 물 높이가 오히려 올라가기 때문에 4℃ 보다 높은 온도와 낮은 온도의 눈금이 겹치게 된다. 따라서 물은 온도계로 쓸 수 없다.

쉽게 달아오른 냄비가 쉽게 식는다

열량이라는 것은 실제로 어떠한 물질의 양이 아니고 물체를 이루는 분자들의 운동에너지의 총합을 말하는 추상적인 양이다. 따라서 열량은 분자들이 활발히 움직일수록(온도가 높을수록), 그리고 분자들의 갯수가 많을수록(질량이 클수록) 많으며, 분자들의 종류와 그 배열상태(비열)에 따라서도 달라진다.

열량의 단위는 ㎈(칼로리)를 쓰는데, 1㎈는 물 1g의 온도를 1°만큼 높이는데 필요한 열량으로 정의한다. 따라서 물 1백g에 5백㎈의 열을 주면 그 물의 온도는 5°만큼 높아진다. 그런데 구리 1백g에 5백㎈의 열을 주었을 때에는 5°보다 온도가 더 높아진다. 즉 같은 양의 물질에 같은 양의 열을 주어도 물질에 따라 온도가 올라가는 비율이 다른데 이를 '비열'이라 한다. 예를 들어 구리의 비열은 구리 1g의 온도를 1°만큼 올리는데 필요한 열량을 말하며 이 값은 약 0.09이다.

비열이 작은 물질은 빨리 더워지는 대신 식을 때도 빨리 식는다. 쇠를 불에 대면 쉽게 뜨거워지는데 물을 데우려면 오랫동안 가열해야 되는 이유도 비열이 다르기 때문이다.
땅의 비열이 물보다 작기 때문에 먼저 뜨거워지고 그 위에 있는 공기가 가벼워져서 하늘로 올라가면 그 자리를 메꾸기 위해서 바다에서 공기가 밀려 오는데, 그것이 바로 낮에 바다에서 육지로 부는 바람인 '해풍'이다. 밤에는 바다보다도 육지가 먼저 식어서 상대적으로 바다의 온도가 높으므로 육지에서 바다로 공기가 밀려 가는데, 그것이 밤에 육지에서 바다로 부는 '육풍' 이다.

열을 준다는 것은 분자들의 운동을 빠르게 한다는 뜻이고 그러기 위해서는 분자의 운동이 빠른 다른 물체(즉 온도가 높은 물체)를 접촉시키면 된다. 분자의 운동이 빠른 물체와 분자의 운동이 느린 물체가 자꾸 부딪쳐서 빠른 것은 느려지고 느린 것은 빨라지면서 속도가 비슷해지면 아무리 부딪쳐도 어느 한쪽이 다른 쪽보다 더 빨라지지 않는다. 이때 두 물체의 온도는 같아진 것이고 온도가 높은 물체가 온도가 낮은 물체에게 열을 준 것이 되며 이를 '열평형상태'라고 한다.

뜨거운 물이 시간이 지나면 자연히 식는 것은 물분자들의 운동이 저절로 약해지기 때문에 그런 것이 아니다. 뜨거운 물이 책상 위에 있다고 해서 아무 것도 접촉하지 않고 있는 것이 아니라 바닥은 책상면과 접해 있을 것이고 옆면과 윗면은 눈에 보이지 않는 공기와 접촉해 있을 것이다. 그들은 뜨거운 물보다 온도가 낮기 때문에 물의 열량을 빼앗을 것이므로 시간이 지나면 물이 저절로 식는 것처럼 보이는 것이다.

따라서 뜨거운 물을 오래 보존하기 위해서는 모든 면에 닿는 물체를 없애야 할 필요가 있다. 실제로 보온병이나 보온 도시락은 이중으로 되어 있고 그 가운데는 진공으로 만들었기 때문에 온도가 오랫동안 보존되는 것이다.

보온병에 얼음을 넣어도 얼음이 오랫동안 보존되는 것은 뜨거운 물과는 반대로 외부에서 열이 들어오지 못하기 때문이다. 여름철에 솜이불 속에 있는 얼음이 밖에 있는 얼음보다 오래가는 이유도 마찬가지다.

반드시 온도가 다른 물체를 접촉시켜야만 열을 이동시킬 수 있는 것은 아니다. 쇠 같은 것을 망치로 계속 두드리면 쇠를 이루고 있는 입자들이 활발하게 움직이게 되어 우리에게 온도가 높아지는 것으로 느껴지며, 물을 오랫동안 저어주면 물분자들의 운동이 활발해져 물의 온도가 올라간다.

태양과 지구 사이는 아무 것도 없는 진공인데도 태양에서 지구로 열이 전달되는데 이는 분자의 운동이 아닌, 빛에 의해 열이 전달되는 것이다. 진공 중에도 전달되는 이러한 열을 '복사열'이라고 한다. 보온병의 내부는 거울처럼 빛을 반사하도록 만들어져 있는데 그것은 복사에 의한 열의 방출을 막기 위한 것이다.