수은 온도계

1. 개요

수은 온도계는 정밀하게 제작된 유리관 내에 수은의 열팽창과 수축을 이용하여 온도를 측정하는 기구이다. 유리관 내의 가는 모세관과 수은 저장소로 구성되며, 눈금을 통해 온도를 읽을 수 있다. 주변 온도 변화에 따라 수은이 팽창 또는 수축하며, 이로 인해 모세관 내 수은 기둥의 높이가 변동하여 온도를 측정하는 원리이다. 18세기 초 다니엘 가브리엘 파렌하이트에 의해 상업화되었으며, 최대 온도계, 최고 최저 온도계 등의 종류가 있다. 수은의 유해성으로 인해, 세계 각국에서 사용을 금지하거나 제한하고 있으며, 대한민국에서도 의료용 수은 온도계 사용이 금지되었다. 현재는 알코올 온도계, 전자 온도계 등 대체재가 사용되고 있다.

2. 구조

기본 수은 온도계는 정밀하게 제작된 관 모양의 유리로 이루어져 있으며, 매우 가는 채널인 모세관과 연결된 수은으로 채워진 저장소(구, 벌브)를 감싸고 있다. 이 모세관은 저장소의 수은이 팽창할 수 있는 공간을 제공한다. 저장소가 있는 짧고 둥근 쪽 끝을 구(벌브)라고 하고, 모세관이 있는 길고 가는 쪽 끝을 줄기라고 한다. 줄기에 또는 그 옆에 정확하게 정렬된 판에 온도 눈금이 새겨져 있다. 낮은 온도는 구 쪽에, 높은 온도는 줄기 꼭대기 쪽에 표시된다. 수은 위의 공간은 질소 기체로 채워져 있거나, 부분 진공 상태일 수 있다.

수은 온도계는 열전도와 팽창을 이용한다. 열팽창이란 서로 접촉하고 있는 물체가 열을 전달하는 성질을 말한다. 예를 들어 체온계를 겨드랑이에 끼우면, 피부와 체온계가 접촉하여 열전도가 일어난다. 겨드랑이나 입 안에서 체온계와 접촉하면, 체온이 체온계의 수은에 전도되고, 온도가 올라간 수은은 팽창하며, 팽창한 수은은 역류를 방지하는 유점을 통과하여 가는 관인 모세관을 상승한다. 온도에 따른 수은의 팽창 정도에 맞춰 눈금이 매겨져 있기 때문에, 규정 온도에 도달하면 팽창이 멈추고 온도를 측정할 수 있는 것이다.

3. 작동 원리

주변 환경의 온도가 변하면 수은은 열팽창과 수축을 하며, 저장소에서 나오거나 들어가고 동시에 모세관을 따라 상승하거나 하강한다. 수은의 부피 변화는 미미하지만(섭씨 1도당 약 0.018%) 구부(bulb)의 부피에 비해 모세관의 부피가 작기 때문에 변화가 시각적으로 증폭된다. 이러한 설계 특징으로 인해 눈금을 따라 수은이 위아래로 명확하게 움직여 정확한 온도를 읽을 수 있다.

수은 온도계는 열전도와 팽창을 이용한다. 열팽창이란 서로 접촉하고 있는 물체가 열을 전달하는 성질을 말한다. 예를 들어 체온계를 겨드랑이에 끼운 경우, 피부와 체온계가 접촉하여 열전도가 일어난다.

겨드랑이나 입 안에서 체온계와 접촉하면, 체온이 체온계의 수은에 전도되고, 온도가 올라간 수은은 팽창하며, 팽창한 수은은 역류를 방지하는 유점을 통과하여 가는 관인 모세관을 상승한다. 온도에 따른 수은의 팽창 정도에 맞춰 눈금이 매겨져 있기 때문에, 규정 온도에 도달하면 팽창이 멈추고 온도를 측정할 수 있다.

열전도에 의해 수은의 온도가 상승하고, 외기 온도와 같은 온도가 될 때까지 약 10분 정도 걸린다. 이것은 측온부가 신체 내부와 같은 정도로 따뜻해진 온도, 즉 평형 온도에 도달해야 하기 때문이다. 평형 온도에 도달한다는 것은 실제 체내의 온도와 측온부의 온도가 같아지는 것과 같은 의미이며, 그것을 직접 측정하기 때문에 정확한 수치로 인식할 수 있다.

4. 보정

온도계 보정은 열평형 상태가 될 때까지 수은구를 얼음/물 혼합물과 같은 온도 표준에 접촉시킨 후, 물/수증기와 같은 다른 표준에 접촉시켜 수행한다. 그런 다음 고정점 사이에 눈금을 일정한 간격으로 나눈다. 원칙적으로, 서로 다른 재료(예: 색이 있는 알코올 온도계)로 만들어진 온도계는 열팽창 특성이 다르기 때문에 중간값이 다를 수 있다. 하지만 실제로는 열역학적 온도의 함수로서 선형적인 팽창 특성을 갖는 물질을 사용하므로 비슷한 결과를 얻는다.

5. 역사

--

수은을 사용한 온도계에 대한 초기 기록은 1620년대 아타나시우스 키르허가 공기 온도계에 수은을 사용했다는 기록에서 찾을 수 있다. 1650년대에는 밀폐된 유리 온도계에서 수은이 알코올보다 나은 물질인지 확인하는 실험이 진행되었으나 실패했다. 1659년, 천문학자 이스마엘 불리오는 수은이 알코올보다 온도 변화에 덜 민감하다는 것을 알고 수은 사용을 포기했다.

1713년, 다니엘 가브리엘 파렌하이트는 수은 온도계를 이용한 실험을 시작했고, 1717년부터 상업적으로 생산하기 시작했다. 그의 수은 온도계는 알코올 온도계보다 우수하여 널리 보급되었고, 그가 개발하고 사용한 측정 시스템인 파렌하이트 온도 단위가 널리 채택되는 계기가 되었다.

스웨덴 과학자 안데르스 셀시우스는 1742년 그의 저서 섭씨 온도 눈금의 기원에서 섭씨 눈금을 고안했다.

셀시우스는 표준 대기압에서 녹는 얼음의 온도와 끓는 물의 온도라는 두 가지 고정점을 사용하여 눈금을 정의했다. 아이작 뉴턴도 이미 비슷한 작업을 하고 있었기에 새로운 아이디어는 아니었다. 셀시우스의 차별점은 얼음의 어는점이 아닌 녹는점을 사용한 것이었다. 그의 온도계를 정확하게 보정하기 위한 실험은 2년 동안 지속되었다. 그는 같은 실험을 반복하여 얼음이 항상 온도계의 같은 눈금에서 녹는다는 것을 발견했다. 그는 수증기의 끓는 물의 보정에서도 비슷한 고정점을 발견했다 (고정밀도로 실험하면 대기압에 따라 변화가 나타나는데, 셀시우스도 이를 언급했다). 온도계를 수증기에서 꺼내는 순간 수은의 높이가 약간 상승했는데, 이는 유리의 빠른 냉각 (및 수축)과 관련이 있었다.

셀시우스는 자신의 온도 눈금을 사용하기로 결정했을 때, 처음에는 순수한 물의 끓는점을 0°C, 어는점을 100°C로 정의하는 "거꾸로 된" 눈금을 사용했다. 1년 후, 프랑스인 장-피에르 크리스틴은 어는점을 0°C로, 끓는점을 100°C로 하는 눈금을 제안했다. 그는 이를 섭씨(100단계)라고 명명했다.

마지막으로, 셀시우스는 온도계 보정 방법을 다음과 같이 제안했다.

1. 순수한 물로 만든 녹는 얼음 속에 온도계의 실린더를 넣고 온도계 내부의 액체가 안정될 때의 지점을 표시한다. 이 지점이 물의 어는점/녹는점이다.
2. 같은 방식으로 온도계를 끓는 물의 수증기에 넣었을 때 액체가 안정될 때의 지점을 표시한다.
3. 두 지점 사이의 길이를 100등분한다.

이러한 지점은 대략적인 보정에 적합하지만, 물의 어는점과 끓는점은 대기압에 따라 변한다. 수은 이외의 액체를 사용하는 후대의 온도계도 약간 다른 온도를 나타냈다. 실제로 이러한 변화는 매우 미미했고, 나중에 발견된 열역학적 온도와 거의 일치했다. 이러한 문제는 기체 온도계를 사용한 실험을 통해 탐구되었다. 진정한 열역학적 온도가 발견될 때까지, 수은 온도계는 일반적으로 온도를 정의하는 역할을 했다.

현대의 온도계는 종종 어는점 대신 물의 삼중점을 사용하여 보정하는데, 삼중점은 273,160(0.01°C)에서 발생한다.

6. 종류

기본적인 수은 온도계는 수은으로 채워진 저장소에 연결된 매우 가는 채널(모세관)을 감싸는 정밀하게 제작된 관 모양의 유리로 이루어져 있으며, 이 모세관은 저장소의 수은이 팽창할 수 있는 공간을 제공한다. 저장소가 있는 짧고 둥근 쪽 끝을 구라고 하고, 모세관이 있는 길고 가는 쪽 끝을 줄기라고 한다. 줄기에 또는 그 옆에 정확하게 정렬된 판에 온도 눈금이 새겨져 있다. 낮은 온도는 구 쪽에, 높은 온도는 줄기 꼭대기 쪽에 표시된다. 수은 위의 공간은 질소 기체로 채워져 있거나, 부분 진공 상태일 수 있다.

6.1. 최대 온도계

--
--
최대 온도계는 구 근처 목 부분에 좁은 부분이 있는 특수한 유리 수은 온도계이다. 온도가 상승하면 수은은 팽창력에 의해 이 좁은 부분을 밀고 올라간다. 온도가 내려가면 수은 기둥은 좁은 부분에서 끊어져 구로 돌아갈 수 없으므로 관 안에 정지해 있다. 따라서 관찰자는 설정된 시간 동안 최대 온도를 읽을 수 있다. 온도계를 재설정하려면 세게 흔들어야 한다. 이 디자인은 전통적인 체온계에 사용된다.

6.2. 최고 최저 온도계

최고 최저 온도계(Six's thermometer)는 보통 24시간 동안의 최고 및 최저 온도를 기록하는 온도계이다. 원래 디자인에는 수은이 포함되어 있지만, 이는 온도를 나타내는 알코올 기둥의 위치를 표시하는 용도로만 사용되며, 수은의 팽창으로 작동하는 온도계는 아니다. 수은이 없는 버전도 사용할 수 있다.

7. 물리적 특성

기본적인 수은 온도계는 수은으로 채워진 저장소에 연결된 매우 가는 채널(모세관)을 감싸는 정밀하게 제작된 관 모양의 유리로 이루어져 있다. 저장소의 수은이 팽창할 수 있는 공간을 제공하며, 저장소가 있는 짧고 둥근 쪽 끝을 구라고 하고, 모세관이 있는 길고 가는 쪽 끝을 줄기라고 한다. 줄기에는 온도 눈금이 새겨져 있다. 수은 위의 공간은 질소 기체로 채워져 있거나, 부분 진공 상태일 수 있다.

수은 온도계는 −37°C ~ 356°C의 넓은 온도 범위를 측정할 수 있다. 불활성 기체인 질소를 주입하여 액체 수은에 대한 압력을 증가시켜 비등점을 높이는 방식으로 상한 온도 범위를 확장할 수 있다. 파이렉스 유리 대신 융합 석영을 사용하면 상한 온도 범위를 800°C까지 확장할 수 있다.

수은은 고체가 되는 온도인 −38.83°C 이하에서는 사용할 수 없다. 온도계에 질소가 포함되어 있는 경우, 수은이 응고될 때 기체가 기둥 아래로 흘러 들어가 온도가 상승할 때 그곳에 갇힐 수 있다. 이를 피하기 위해 일부 기상청에서는 온도가 −37°C로 떨어지면 모든 수은 온도계를 실내로 가져오도록 요구한다. 더 낮은 기상 온도를 측정하기 위해 수은-탈륨 합금이 포함된 온도계를 사용할 수 있는데, 이 합금은 −61.1°C까지 응고되지 않는다.

수은 온도계는 열전도와 팽창을 이용한다. 열팽창이란 서로 접촉하고 있는 물체가 열을 전달하는 성질을 말한다. 겨드랑이나 입 안에 체온계를 넣어 접촉하면 체온이 체온계의 수은에 전도되고, 온도가 올라간 수은은 팽창하며, 팽창한 수은은 모세관을 상승한다. 온도에 따른 수은의 팽창 정도에 맞춰 눈금이 매겨져 있어, 규정 온도에 도달하면 팽창이 멈추고 온도를 측정할 수 있다. 평형 온도에 도달해야 체내 온도와 측온부의 온도가 같아져 정확한 수치를 측정할 수 있는 것이다.

8. 수은 온도계의 위험성 및 단계적 폐지

수은은 독성이 강한 물질이므로, 수은 온도계 파손 시 건강에 해로울 수 있다. 특히 기화된 수은 증기를 흡입하면 건강 문제가 발생할 수 있다.

일반적인 체온계에는 0.5g에서 3g 사이의 수은이 들어있다. 이 정도 양의 수은을 삼켜도 위험은 거의 없지만, 수은 증기를 흡입하면 건강 문제가 발생할 수 있다.

2012년 기준으로, 수은 온도계는 기상학에서 많이 사용되었지만, 수은의 독성 때문에 많은 국가에서 의료용으로는 사용을 금지하면서 다른 용도로는 점점 드물어지고 있다. 대한민국에서도 의료용 수은 온도계 사용을 금지하고 있다. 일부 제조업체는 수은 대체재로 갈륨, 인듐, 주석의 액체 합금인 갈린스탄을 사용한다.

9. 대한민국 현황 및 과제

대한민국에서는 수은 온도계의 위험성에 대한 인식이 높아지면서, 가정 및 의료 현장에서 수은 온도계 사용이 크게 줄었다. 대한민국 정부도 보건소와 병원에서 수은이 없는 체온계와 혈압계를 사용하도록 권고하고 있다. 하지만, 일부 약국에서는 여전히 수은 체온계가 판매되고 있어, 완전한 퇴출을 위한 노력이 필요하다. 수은 온도계 폐기 및 대체 온도계 보급을 위한 정책적 지원과 시민들의 적극적인 참여가 요구된다. 수은 증기를 흡입하면 건강 문제가 발생할 수 있기 때문이다.