수은 온도계

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%^[2]) 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.^[23]

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.^[3] 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.^[3]

1713년, 다니엘 가브리엘 파렌하이트는 수은 온도계를 이용한 실험을 시작했고, 1717년부터 상업적으로 생산하기 시작했다.^[3] 그의 수은 온도계는 알코올 온도계보다 우수하여 널리 보급되었고, 그가 개발하고 사용한 측정 시스템인 파렌하이트 온도 단위가 널리 채택되는 계기가 되었다.^[4]

스웨덴 과학자 안데르스 셀시우스는 1742년 그의 저서 ''섭씨 온도 눈금의 기원''에서 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.^[5] 1년 후, 프랑스인 장-피에르 크리스틴은 어는점을 0°C로, 끓는점을 100°C로 하는 눈금을 제안했다.^[6] 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 ''정의''하는 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 '''구'''라고 하고, 모세관이 있는 길고 가는 쪽 끝을 '''줄기'''라고 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.^[1]

6. 1. 최대 온도계

6. 2. 최고 최저 온도계

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 '''구'''라고 하고, 모세관이 있는 길고 가는 쪽 끝을 '''줄기'''라고 한다. 줄기에는 온도 눈금이 새겨져 있다. 수은 위의 공간은 질소 기체로 채워져 있거나, 부분 진공 상태일 수 있다.^[1]

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.^[1]

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.^[1] 더 낮은 기상 온도를 측정하기 위해 수은-탈륨 합금이 포함된 온도계를 사용할 수 있는데, 이 합금은 −61.1°C까지 응고되지 않는다.^[1]

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.^[23] 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.^[7][8] 특히 기화된 수은 증기를 흡입하면 건강 문제가 발생할 수 있다.^[9]

일반적인 체온계에는 0.5g에서 3g 사이의 수은이 들어있다.^[7][8] 이 정도 양의 수은을 삼켜도 위험은 거의 없지만, 수은 증기를 흡입하면 건강 문제가 발생할 수 있다.^[9]

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.^[7][8] 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.^[9]

참조

_[1] 웹사이트 Liquid-In-Glass Thermometer Calibration Service https://nvlpubs.nist[...] National Institute of Standards and Technology 2023-12-01
_[2] 웹사이트 Why it is that mercury is chosen for thermometers? https://www.ucl.ac.u[...] University College London 2022-04-27
_[3] 서적 A history of the thermometer and its use in meteorology http://archive.org/d[...] Johns Hopkins Press
_[4] 논문 Fahrenheit, a Pioneer of Exact Thermometry
_[5] 웹사이트 Anders Celsius 1701–1744 http://www.astro.uu.[...] Uppsala University 2006-05-30
_[6] 서적 The Facts on File Dictionary of Weather and Climate Infobase Publishing
_[7] 웹사이트 Thermometers and Thermostats: Fever Thermometers http://www.ec.gc.ca/[...] Environment Canada 2010-06-03
_[8] 웹사이트 Mercury: Thermometers http://www.epa.gov/h[...] US Environmental Protection Agency 2013-07-08
_[9] 웹사이트 Mercury and Human Health https://web.archive.[...] Health Canada 2009-03-02
_[10] 웹사이트 National Provisions communicated by the Member States concerning: Directive 2007/51/EC of the European Parliament and of the Council of 25 September 2007 amending Council Directive 76/769/EEC relating to restrictions on the marketing of certain measuring devices containing mercury http://eur-lex.europ[...] EUR-Lex
_[11] 웹사이트 Argentina empieza a despedirse de los termómetros de mercurio https://www.clarin.c[...] 2011-04-14
_[12] 간행물 UNEP(DTIE)/Mercury/WG/1/INF/3 Draft Technical Guidelines on the Environmentally Sound Management of Mercury Waste http://www.chem.unep[...] 2010-04-14
_[13] 웹사이트 Phase-out of Mercury in Health out of Mercury in Health Care: Challenges and Solutions Care: Challenges and Solutions https://zerowastepil[...]
_[14] 뉴스 RP hospitals to phase out devices containing mercury https://web.archive.[...] 2008-09-13
_[15] 웹사이트 UK Health Protection Agency Chemical Hazards and Poisons Report, from the Chemical Hazards and Poisons Division, January 2010 Issue 16, p6: Does the Health Protection Agency website prevent harm from breakage of mercury thermometers? https://web.archive.[...]
_[16] 웹사이트 Mercury: health effects, incident management and toxicology https://web.archive.[...] 2022-06-08
_[17] 웹사이트 Met Office warns lives could be at risk with all-time record temperatures likely https://www.times-se[...] 2022-07-15
_[18] 웹사이트 Things are Heating Up with Mercury in Thermometers http://yosemite.epa.[...] US Environmental Protection Agency 2013-08-30
_[19] 학술지 Technical report: mercury in the environment: implications for pediatricians http://pediatrics.aa[...] 2001-07
_[20] 웹사이트 水銀温度計(すいぎんおんどけい)とは? 意味や使い方 https://kotobank.jp/[...]
_[21] 웹사이트 日本計量器工業株式会社 https://www.nikkeith[...]
_[22] 웹사이트 水銀体温計とは？仕組みや原理と精度 {{!}} ピントル https://beauty.pinto[...]
_[23] 웹사이트 水銀体温計とは？仕組みや原理と精度 {{!}} ピントル https://beauty.pinto[...]