[일상 속] 열평형
초봄에는 날씨가 변덕이 심하다. 겨울옷을 집어넣을까 싶다가도 날씨 어플을 보면 아직은 넣으면 안 될 것만 같다. 외출하기 전 항상 확인하는 온도. 이 기온은 온도계로 쟀을 텐데, 온도계는 어떻게 온도를 아는 것일까? 어떻게 지금 기온이 12도인지 아는 것일까?
초등학교 ver.
우리는 피부를 통해 차가운지 뜨거운지 알 수 있다. 하지만 말 그대로 손 온도에 비해 차가운지 뜨거운지 상대적인 온도 변화를 감지할 뿐이다.
이렇게 상대적인 온도 변화를 감지할 수 있는 것은 열의 이동을 감지할 수 있기 때문이다. 우리가 손으로 컵을 만졌다고 해보자. 컵이 뜨겁다고 느껴진다면 열이 컵에서 손으로 이동했기 때문이다. 반대로 컵이 차갑다고 느껴진다면 열이 손에서 컵으로 이동했기 때문이다. 이렇듯 열은 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동한다. 그리고 우리는 열의 이동을 감지함으로써 차갑거나 뜨겁다고 느낀다.
예를 들어 왼손은 10℃ 물에 오른손은 30℃ 물에 각각 담근 후 두 손을 20℃ 물에 담근다고 해보자. 두 손 똑같이 20℃ 물에 담갔음에도 왼손은 뜨겁다고 느낄 것이고 오른손은 차갑다고 느낄 것이다. 이렇듯 감각에 의한 온도는 상대적이기에 정확한 온도를 위해 온도계가 등장했다.
중학교 ver.
온도와 열은 엄연히 구분되는 개념이다. 온도는 차고 뜨거운 정도를 의미하고 열은 에너지를 의미한다.
모든 물질은 작은 입자로 구성되어 있다. 이 입자들은 기본적으로 진동 운동을 한다. 온도가 높아져 열을 받은 입자들은 더 활발히 진동을 한다. 즉, 입자의 운동이 활발해진 것은 에너지를 받았기 때문이다.
반대로 온도가 낮아져 열을 빼앗기면 입자들의 운동은 둔해진다. 이렇듯 열은 에너지를 의미하며 열에 의해 입자의 운동 에너지가 달라진다. 또한 온도에 따라 입자들의 운동 양상이 달라지므로 온도를 입자 운동의 활발한 정도라 설명하기도 한다.
온도가 서로 다른 물질이 맞닿아 있으면 각 물질의 온도가 변한다. 상대적으로 차가운 물질은 온도가 높아지고 상대적으로 뜨거운 물질은 온도가 낮아진다. 그러다 어느 순간 같은 온도가 되면 더 이상 온도가 올라가거나 내려가지 않은 채로 그 같아진 온도가 유지된다.
뜨거운 한약을 식힐 때 찬 물에 넣는 것을 예로 들 수 있다. 찬 물이 뜨거운 한약만큼 온도가 높아지지도 않고 한약이 찬 물만큼 온도가 낮아지지도 않고 두 온도 사이 어느 즈음에선가 한약과 물이 미지근해진다.
온도계는 이러한 점을 이용하여 작동하는 것이다. 온도계에 물질이 닿으면 어느 한쪽으로 온도가 치우쳐지지 않고 온도계와 물질의 온도가 같아진다. 그때의 온도가 온도계에 표시되는 것이다.
교과서 ver.
차가운 물질과 뜨거운 물질을 같이 두고서 온도가 같아지는 현상을 열평형 상태라고 한다. 차가운 물질은 온도가 높아지고 뜨거운 물질이 온도가 낮아지다 같은 온도에서 유지된다. 이때 온도를 열평형 온도라고 하고 두 물질 온도의 중간값이 아니다.
열평형 상태가 될 때까지 차가운 물질이 얻은 열의 양과 뜨거운 물질이 잃은 열의 양은 같다. 뜨거운 물질에서 차가운 물질로 열이 이동했기 때문이다.
열평형 상태가 됐다고 해서 두 물질 간에 열의 이동이 없어지는 것이 아니다. 열의 이동량이 같아졌기에 온도 변화가 없는 것이다.
요약 ver.
서로 온도가 다른 물질을 접촉시키면 온도가 같아진다.
이러한 방법으로 온도계가 온도를 나타낸다.