세계 최초의 온도계는 물온도계. 버려진 필름통을 이용해 물온도계를 만들어보자. 물온도계가 실용화 될 수 없었던 까닭은 무엇일까.
■ 준비물
투명한 필름통, 빨대, 고무 찰흙, 그림 물감이나 식용색소, 송곳.
■ 실험방법
1. 필름통 뚜껑에 빨대 크기에 맞는 구멍을 뚫는다.
2. 구멍에 빨대를 꽂고 구멍의 안팎에 고무 찰흙을 단단히 붙인다. 고무 찰흙을 붙인 위에는 촛농을 떨어뜨려 공기가 새어나가지 못하도록 한다.
3. 필름통 속에 색소 탄 물을 1/2정도 넣는다.
4. 필름통의 뚜껑을 닫는다.
5. 필름통 주위를 손으로 감싼다.
6. 필름통을 얼음물과 더운물에 넣어보면서, 빨대 안의 물높이가 어떻게 변하는지 관찰해본다.
■ 왜 그럴까?
일정한 압력하에서 기체의 온도가 올라가면 부피는 1℃ 올라갈 때마다 0℃때 기체 부피의 1/273씩 증가한다(샤를의 법칙). 즉 기체의 부피는 온도에 따라 변한다. 물온도계를 손으로 감싸쥐거나 더운 물에 넣으면 필름통 안 기체의 부피는 늘어난다. 늘어난 기체의 부피는 물에 압력을 가해 물이 빨대를 통해 위로 올라가도록 한다. 필름통을 얼음물 속에 넣으면 필름통 내부의 기체 부피는 감소해 빨대 안의 물이 내려간다. 즉 기체 부피의 팽창 수축에 따라 액체가 움직이는 것이다.
여기서 만든 물온도계는 실용화 될 수 없다. 우리가 만든 온도계는 1백70년 경 그리스의 의사인 갈렌이 만든 세계 최초의 온도계와 같은 원리다. 그 온도계의 이름은 온도를 눈으로 볼 수 있다는 의미의 'thermo-scopes'였다. 색소탄 물이 들어있는 용기에 긴 유리관을 담궜다. 관속에 있는 공기는 관 밖으로 뽑아냈는데, 이는 액체가 관으로 올라오게 하기 위해서다. 갈릴레이는 1610년 물 대신 와인을 사용하기도 했다.
온도계에서 중요한 점은 일관되게 온도를 표현해야 한다는 점이다. 하지만 물온도계의 문제점은 기압에 영향을 받는다. 날씨가 맑은 날과 비오는 날에 따라 변하는 대기압에 의해 측정하는 온도가 다르다면 정확한 온도계라고 할 수 없다.
현재 사용하고 있는 온도계에는 알코올 온도계와 수은 온도계가 있다. 알코올 온도계는 에틸알코올의 열팽창(1℃ 상승시마다 약 1/500씩 부피 증가)을 이용해 로버트 후크가 1664년에 만들었다. 에틸알코올은 끓는점이 78.5℃이고 녹는점은 -1백14.5℃이므로 저온의 측정 범위가 수은 온도계보다 넓다.
한편 1724년 가브리엘 파렌하이트는 수은을 액체로 사용했다. 수은은 열팽창률이 일정하고 유리관에 달라붙지 않으며, 상당한 온도 범위에서 액체로 존재(-38.9~356.5℃)할 수 있어 넓은 범위의 온도를 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그리고 은색을 띠므로 우리 눈으로 온도의 변화를 쉽게 확인할 수 있다.
온도에 관해 더 궁금한 점은 http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html을 참고하기 바란다.
