온도

에너지는 흐르는 방향이 있다.

더우면 왜 수은주가 올라갈까? 수은주가 온도를 가리키는 원리는 이렇다. 모든 물질은 온도가 올라가면 부피가 늘어난다. 고체보다는 액체가 액체보다는 기체의 부피가 더 많이 느는 경향이 있다. 그래서 일정한 양의 수은을 가는 유리관에 넣으면 온도가 올라갈 때 부피가 증가해야 하는데 여지가 위 밖에 없으므로 올라가는 것이다. 물이 끓을 때까지 올라온 수은의 위치에 100을 표시하고, 물이 얼 때까지 내려간 위치에 0을 표시하여 그 사이를 100 등분하여 눈금을 매긴 것이 우리가 사용하는 섭씨온도(℃)이다. 섭씨 100도 자리에 212도를 섭씨 0도 자기에 32를 표시하여 그 사이를 180 등분하여 눈금을 매기면 서양에서 사용하는 화씨온도(℉)이다.

그런데 수은 대신에 물을 사용하면 어떻게 될까? 물은 투명해서 어디까지 올라왔는지 잘 표시가 나지 않는다. 그러나 그보다는 근본적으로 안 되는 이유가 있다. 물은 부피가 일정하게 증가하는 것이 아니라 4℃ 물의 부피가 가장 작아서 4℃ 근처에서는 온도가 겹치는 구간이 생긴다. 즉 4℃에서 가장 낮게 표시된다. 겨울 호수에서 위가 아무리 추워도 바닥의 물은 4℃이므로 호수가 바닥까지 얼지 않는다.

모든 물질은 원자로 이루어져 있는데 그 원자는 끊임없이 운동하고 있다. 여기서 명심해야 할 조건이 있다. 원자나 분자 사이에는 아무것도 없다는 것이다. 왜냐면 원자나 분자가 가장 작은 입자이기 때문에 논리적으로 어떤 물질이 있을 수가 없다. 따라서 분자나 원자의 운동은 시간이 가도 느려지지 않는다. 운동장에서 움직이는 공은 항상 눈에 안 보이는 공기와 부딪히기 때문에 속도가 느려져서 결국은 정지한다. 그러나 분자와 원자의 수준에서는 마찰이 없기 때문에 이유 없이 속도가 줄지 않는다.

속도가 변하는 것은 자기들끼리 충돌하는 수밖에 없고 이들끼리 충돌하면 빠른 것은 느려지고 느린 것은 빨라져서 결국 같은 속도가 된다. 이를 거시적인 관점에서 보면 뜨거운 물과 찬물을 섞으면 뜨거운 물의 온도는 내려가고 찬물의 온도는 올라가 결국 같은 온도가 되는 것으로 보인다. 쇠젓가락 한쪽을 불에 대면 열이 손 쪽으로 전달되는 것도 미시적인 관점에서 보면 인접한 원자의 충돌에 의해서 운동량이 옆으로 전달되는 것이다. 운동이 활발하면 당연히 부피는 증가한다. 고체는 원자들이 제자리에서 진동하는 것인데 그 진동이 점점 커지면 자리를 이탈하게 되고 고체는 녹아 액체가 된다. 액체는 용기 내부에서 운동할 수 있는데 그 운동이 점점 커지면 용기를 떠나게 되고 기체가 되는 것이다. 모든 고체는 온도가 높아지면 기체가 될 수 있다. 쇠도 기체가 될 수 있다는 얘기다. 모든 기체는 고체가 될 수 있다. 공기도 고체가 될 수 있다는 얘기다. 액체 질소나 액체 산소는 공업사에서 구입할 수 있다.

결국 온도가 높다는 것은 분자나 원자의 운동이 활발하다는 것이고 활발한 정도가 온도라고 볼 수 있다. 분자나 원자가 활발하는 것에는 한계가 없으므로 온도는 얼마든지 올라갈 수 있다. 수천 도나 수억도도 이론상 가능하다. 그러나 활발하지 않은 것은 한계가 있다. 모든 분자나 원자가 제자리에 정지해 있으면 가장 활발하지 않은 것이고 이때 온도가 가장 낮은 온도이고 이때 온도가 섭씨 273℃이다. 여기를 0도로 정하면 0℃는 273도가 되는데 이를 절대 온도(K)라고 하며 주로 과학자들이 사용한다.