온도 측정
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1. 개요
온도 측정은 물체의 열적 상태를 정량적으로 파악하는 과정이다. 17세기 이전에는 표준화된 측정이 어려웠으나, 18세기 초 파렌하이트가 수은 온도계와 눈금을 개발하면서 발전했다. 온도 측정은 물체의 상태 변화와 열팽창을 이용하며, 유리 온도계, 기체 온도계, 열전쌍, 서미스터 등 다양한 장치가 사용된다. 측정 시에는 측정 장치와 대상의 온도 균형이 중요하며, 열역학 제0법칙과 삼중점 셀이 이론적 기초를 이룬다. 최근에는 MRI, 초음파, 레이저 기술을 이용한 비침습적 측정 방법도 개발되었다. 미국 기계 기술자 협회는 온도 측정 관련 표준을 개발했으며, 대기 및 위성 온도 측정은 기상 현상 연구와 기후 변화 연구에 활용된다.
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| 온도 측정 | |
|---|---|
| 측정 | |
| 측정 대상 | 온도 |
| 관련 항목 | |
| 관련 항목 | 온도계 열전대 서미스터 저항 온도 감지기 |
| 기록 | |
| 측정값 | 38.7 °C |
2. 역사
17세기 이전에는 표준화된 온도 측정이 어려웠다. 예를 들어 기원후 170년, 물리학자 갈레노스[6]는 얼음과 끓는 물을 동등한 비율로 섞어서 중립적인 온도 표준을 제시하려는 시도를 했다.
온도를 측정하기 위해서는 물체의 특별한 상태 변화와 규칙적인 열팽창을 이용한다. 보통 사용되는 온도계에는 섭씨 온도 눈금이 표시되어 있다. 섭씨 온도는 1742년 스웨덴의 물리학자 셀시우스가 정한 것으로, 30°C와 같이 C 기호를 붙여 나타낸다. 섭씨 온도에서는 얼음이 녹는 온도를 0°C, 1기압의 대기 속에서 물이 끓는 온도를 100°C로 정하고, 그 사이를 100등분하여 1°C로 정의한다.
온도 측정에는 다양한 방법이 개발되었다. 대부분은 온도에 따라 변하는 물질의 물리적 특성을 이용한다. 가장 일반적인 온도 측정 장치 중 하나는 유리 온도계이다.
1600년대 피렌체 과학자들의 연구를 통해 온도 변화를 측정하는 열시경이 개발되었다. 여기에는 갈릴레오가 제작한, 온도의 상대적인 변화를 측정할 수 있지만 대기압 변화와 혼동될 수 있는 장치도 포함된다. 1654년 토스카나 대공 페르디난도 2세는 최초의 밀봉된 온도계를 제작했다.[1] 18세기 초 다니엘 가브리엘 파렌하이트는 올레 뢰머가 개발한 수은 온도계와 파렌하이트 눈금을 제작했다. 파렌하이트 눈금은 섭씨 및 켈빈 눈금과 함께 여전히 사용되고 있다.
3. 원리
화씨 온도는 1724년 독일의 물리학자 파렌하이트가 고안한 것으로, F 기호를 붙여 나타낸다. 화씨 온도에서는 얼음이 녹는 온도를 32°F, 물이 끓는 온도를 212°F로 정하고, 그 사이를 180등분하여 1°F로 정의한다.
17세기 이전의 표준화된 온도 측정 시도는 조잡한 수준이었다. 예를 들어 서기 170년, 의사 클라우디우스 갈레노스는[1] 얼음과 끓는 물을 같은 비율로 섞어 "중성" 온도 기준을 만들었다. 현대 과학 분야는 1600년대 피렌체 과학자들의 연구에서 시작되었으며, 여기에는 갈릴레오가 온도의 상대적인 변화를 측정할 수 있지만 대기압 변화와 혼동될 수 있는 장치인 열시경을 제작한 것이 포함된다. 최초의 밀봉된 온도계는 1654년 토스카나 대공 페르디난도 2세에 의해 제작되었다.[1] 오늘날의 온도계와 온도 눈금의 개발은 18세기 초 다니엘 가브리엘 파렌하이트가 수은 온도계와 눈금을 제작하면서 시작되었으며, 이는 모두 올레 뢰머가 개발했다. 파렌하이트 눈금은 섭씨 및 켈빈 눈금과 함께 여전히 사용되고 있다.
4. 측정 기술
열전쌍, 서미스터, 저항 온도 감지기(RTD), 고온계, 랭뮤어 탐침(플라스마의 전자 온도용), 적외선 온도계 등 다양한 온도 측정 장치가 사용된다.
온도를 측정할 때는 측정 장치(온도계, 열전쌍 등)가 측정 대상과 동일한 온도를 갖는지 확인해야 한다. 측정 장치의 열이 온도 기울기를 유발하여 측정 온도가 실제 온도와 달라질 수 있기 때문이다. 이 경우 측정 온도는 시스템의 온도뿐만 아니라 열 전달 특성에도 영향을 받는다.
사람, 동물, 식물이 느끼는 열적 쾌적함은 단순히 온도계에 표시된 온도뿐만 아니라, 주변 공기의 상대 습도(증발 냉각 유도), 습구 온도(습도 효과 정규화), 평균 복사 온도, 체감 온도(바람이 불 때 더 춥게 느껴짐) 등 다양한 요인에 영향을 받는다. 기류는 신체에서 열 전달 속도를 높여 체온 변화를 더 크게 만든다.
온도계의 이론적 기초는 열역학 제0법칙(A, B, C 세 물체 중 A와 B, B와 C가 각각 동일한 온도라면 A와 C도 동일한 온도)이며, 여기서 B는 온도계이다.
온도 측정의 실제적 기초는 삼중점 셀의 존재이다. 삼중점은 고체, 증기, 액체 세 상이 동시에 존재하는 압력, 부피, 온도의 조건이다. 단일 구성 요소의 경우 삼중점에서 자유도가 없어, 세 변수를 변경하면 셀에서 하나 이상의 상이 사라진다. 따라서 삼중점 셀은 온도 및 압력에 대한 보편적인 참조로 사용된다(깁스 상 규칙 참조).
특정 조건에서는 플랑크의 흑체 복사 법칙을 이용하여 온도를 직접 측정할 수 있다. 예를 들어 우주 마이크로파 배경 온도는 WMAP 같은 위성의 광자 스펙트럼 관측으로 측정되었다. 쿼크-글루온 플라스마를 중이온 충돌로 연구할 때 단일 입자 스펙트럼이 온도계 역할을 하기도 한다.
4. 1. 전통적인 온도계
유리 온도계는 수은이나 다른 액체를 채운 유리관으로 구성된다. 온도가 상승하면 액체가 팽창하므로, 유체의 부피를 측정하여 온도를 알 수 있다. 이러한 온도계는 유체 높이를 관찰하여 온도를 쉽게 읽을 수 있도록 보정되어 있다.
4. 2. 현대적인 온도 측정 장치
4. 3. 비침습적 온도 측정
최근 수십 년 동안 많은 비침습적 온도 측정 기술이 개발되었다. 생명공학 분야에서 가장 유망하고 널리 사용되는 기술은 자기 공명 영상(MRI), 컴퓨터 단층 촬영(CT) 영상 및 초음파 영상을 분석하는 것이다. 이러한 기술을 통해 감지 요소를 삽입하지 않고 조직 내부의 온도를 모니터링할 수 있다.[2] 반응성 흐름(예: 연소, 플라스마) 분야에서는 레이저 유도 형광(LIF), CARS 및 레이저 흡수 분광법이 엔진, 가스 터빈, 충격관, 합성 반응기[3] 등의 내부 온도를 측정하는 데 활용되어 왔다. 이러한 광학 기반 기술은 빠른 측정(나노초 단위)이 가능하며, 측정 대상에 ''영향을 주지'' 않는다는 특징이 있다.
5. 표준
미국 기계 기술자 협회(ASME)는 온도 측정에 대한 두 가지 표준, B40.200과 PTC 19.3을 개발했다.[4][5]
B40.200은 바이메탈 작동식, 충전 시스템 및 액체 유리 온도계에 대한 지침을 제공한다. 또한 써모웰에 대한 지침도 제공한다.[4]
PTC 19.3은 성능 시험 코드와 관련된 온도 측정에 대한 지침을 제공하며, 특히 측정 오류의 기본적인 원인과 이를 해결하기 위한 기술에 중점을 둔다.[5]
6. 대기 온도
대기 온도는 지구 기상 현상을 이해하고 예측하는 데 중요한 요소이다.
7. 위성 온도 측정
위성은 지구 표면과 대기의 온도를 원격으로 측정하는 데 사용되며, 기후 변화 연구에 중요한 데이터를 제공한다.[1]
참조
[1]
서적
Temperature
https://archive.org/[...]
Academic Press
[2]
웹사이트
Hyperthermal Procedure
http://www.mtmbilab.[...]
Università Campus Bio-Medico di Roma
2014-07-10
[3]
간행물
SiO multi-line laser-induced fluorescence for quantitative temperature imaging in flame-synthesis of nanoparticles
2017-03-21
[4]
웹사이트
ASME
https://www.asme.org[...]
American Society of Mechanical Engineers
2015-05-13
[5]
웹사이트
ASME
https://www.asme.org[...]
American Society of Mechanical Engineers
2015-05-13
[6]
서적
Temperature
https://archive.org/[...]
Academic Press
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