기계시설 관련 용어, 과학용어

 

 

질량 [質量, mass]

 

어떤 물체에 포함되어 있는 물질의 양(量)

질량은 장소나 상태에 따라 달라지지 않는 물질의 고유한 양으로 접시저울이나 양팔저울을 사용하여 측정한다. 단위로는 kg, g, mg 등을 사용하며 1kg은 1000g이고 1g은 1000mg이다.

 

어떤 물체의 무게는 그 물체를 이루는 양,즉 질량에 따라 결정되므로 질량은 그 물체의 무게를 결정하는 물질의 양이라고 할 수 있다. 그러므로 같은 장소에서 무게는 질량에 비례한다. 저울은 무게가 질량에 비례한다는 사실을 이용한 질량을 측정하는 장치라 할 수 있다.

 

 

무게와 질량

 

무게는 지구가 물체를 잡아당기는 중력의 크기이므로 장소에 따라 달라진다. 달의 중력은 지구 중력의 1/6이므로 똑같은 물체일 경우 달에서의 무게는 지구에서 무게의 1/6이다.질량은 장소에 따라 변하지 않는 값이며 무게는 장소에 따라 달라진다.

 

질량의 크기를 결정하는 표준물체로 국제도량형총회에서 지정된 킬로그램원기(백금 90％, 이리듐 10％)가 사용되며, 이 원기의 질량을 1㎏으로 정하여 질량을 비교하는 질량의 표준단위로 사용한다.

 

 

관성질량과 중력질량

뉴턴역학에서 관성질량(慣性質量)이란 두 물체의 질량의 비(比)는 이것들이 서로 힘을 받았을 때 생기는 가속도(加速度)의 역수의 비와 같다는 것으로 정의된다. 즉,뉴튼역학의 제2법칙에 의한 운동의 법칙으로 정의되는 것이 관성질량이다. 반면 각각의 물체에 작용하는 지구의 중력의 비로서 정의되는 중력질량은 만유인력의 법칙을 사용하여 정의하는 질량이다.

 

특수상대성이론에 의하면, 물체가속도 v로 움직일 때의 질량 m은 정지질량을 m0

으로 했을때,

으로 주어진다. 여기서 c는 진공 중의 빛의 속도이다.아인시타인의 특수상대성원리에 의하여 질량 은 상수가 아니고,물체의 속도에 따라 변한다는 것이 밝혀졌다. 또한 이때의 에너지 E는 E＝mc2

 

으로 주어지며, 이것은 질량이 에너지의 한 형태와 같다는 것을 나타낸다.

 

 

 

▣ 무게 [重量, weight]

 

모든 물체는 서로 끌어당기는 힘을 가지고 있는데, 이를 만유인력이라 한다. 그 중에 물체와 지구 사이에 작용하는 힘을 중력이라 하는데, 이 중력이 물체를 끌어당기는 힘의 크기를 무게라 한다.

중량이라고도 한다.

 

만유인력에 의해 지구상에 있는 사람은 우주에 있는 별을 포함한 모든 물체의 방향으로 끌어당겨진다. 만유 인력의 법칙에 따르면 두 물체 사이에 작용하는 힘은 거리 제곱에 반비례하므로, 거리가 멀먼 멀수록 그 힘이 약해진다. 별들에 의해 작용하는 힘의 경우 지구의 거대한 인력에 비해 매우 작으므로 감지할 수 없다. 그러나 지구와 물체 사이에 작용하는 인력은 거리도 짧으며 지구의 질량이 매우 크므로 측정할 수 있다. 그것이 바로 무게이며, 물체가 사람이라면 몸무게가 된다. 물체의 무게 w는 그 물체의 질량 m과 지구의 중력가속도의 곱이고, w=mg로 나타낸다

 

 

 

◉ 무게와 질량의 비교

흔히 일상 생활에서는 물체의 질량(質量)과 무게를 혼동해서 사용하기 쉬운데, 질량은 어느 위치에 측정하든지 변하지 않는 양이지만, 무게는 질량과 달리 그 물체의 고유한 크기를 나타내는 양이 아니어서 위치에 따라 변할 수 있다. 예를 들어 같은 물체를 지구상에 두었을 때와 달에 두었을 때를 비교해 보면, 물체의 질량은 변함이 없지만 달의 중력가속도는 지구의 약 1/6이므로, 달에서의 무게는 지구에 있을 때 무게의 약 1/6밖에 안 된다. 그러므로 같은 물체라도 중력 차이에 따라 무게가 달라진다. 따라서 지구상에서도 같은 물체라도 적도에 있는 물체는 가볍고, 극(極)으로 갈수록 무거워진다

 

 

◉ 무게의 단위

무게를 나타내는 단위로는 보통 질량을 나타내는 단위인 g, kg 등을 많이 사용하고 있지만 정확하게는 힘의 단위인 다인(dyn=g·cm/s2) 또는 g중(重: 1g의 질량을 가진 물체에 작용하는 중력)을 사용해야 한다. 따라서 몸무게를 말할 때는 60kg이 아닌, '60kg중'이라고 하는 것이 정확한 표현이다.

 

 

◉ 겉보기 무게

물체가 공기나 물과 같은 기체나 액체 속에 있을 때는, 이들 유체(流體)가 미치는 부력(浮力)에 의해 물체의 무게가 진공 속에서보다 가볍게 느껴지는데, 이것은 그 물체에 작용하는 힘이 중력에서 부력을 뺀 것이기 때문이다. 이와 같이 물체가 기체나 액체 등 유체 속에서 부력을 받고 있을 때의 무게를 겉보기무게라 한다

만류인력[萬有引力, universal gravitation]

세상의 모든 물체는 서로 끌어당기고 있다. 책상 위 연필과 지우개, 책과 컴퓨터, 핸드폰과 선풍기, 심지어 당신과 먼 나라의 이름 모를 누군가 사이에도 인력이 작용하고 있다. 그러나 힘의 크기가 매우 작기 때문에 우리는 이 힘을 느낄 수 없다. 연필과 지우개 사이에도 당기는 힘이 존재하지만 그 크기가 다른 힘들에 비해 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 서로 가까워지거나 붙어버리지 않는다.

만유인력의 크기

만유인력의 크기를 계산하는 공식은 F=GMm/R2

이다. 여기서 G는 만유인력 상수, M과 m은 두 물체의 질량, R은 두 물체 사이의 거리이다. 만유인력 상수 G의 값은 6.67259×10-11 N·m2·kg-2 으로 매우 작기 때문에, 질량이 매우 큰 경우에만 힘 F가 느낄 수 있는 정도의 크기가 된다.

예를 들어 M을 지구의 질량, m을 물체의 질량, R을 지구의 반지름이라고 하면 F는 지구와 물체 사이의 만유인력이 되는데, 이것은 지구의 표면 중력과 같다. 따라서 중력은 만유인력의 한 예라고 할 수 있다.

만유인력의 역사

1665년 뉴턴은 케플러가 발견한 행성운동에 관한 3가지 법칙을 기본으로 하여 귀납적인 방법으로 만유인력을 발견했다. 그는 사과를 나무에서 떨어뜨리는 힘이나 지구를 태양 주위로 돌게 하는 힘이 모두 같은 종류의 힘이라는 것을 발견하였다. 나아가 우주에 있는 모든 물체들이 서로 끌어당긴다는 사실을 발견하였다. 뉴턴은 행성의 운동을 행성과 행성 사이에 작용하는 만유인력으로 다시 설명했다. 그리고 자연계의 여러 현상에 대해 만유인력과 운동법칙을 적용하여 해석하는 역학적 자연상(自然像)을 전개하였다.

만유인력의 원인

뉴턴은 만유인력이 거리에 상관없이 모든 물체들 사이에서 작용한다고 생각했을 뿐, 그 힘이 생기는 원인에 대해서는 설명하지 못했다. 1915년 A.아인슈타인이 발표한 일반상대성이론에 따르면 질량을 가진 물체 주위의 공간은 구부러지는데, 이것으로 만유인력의 원인을 설명할 수 있게 되었다. 아인슈타인의 이론은 수성의 근일점(近日點) 이동, 태양에 의한 별빛의 휨 등 몇 가지 천문학상의 관측 사실을 해명함으로써 가장 믿을 만한 이론으로 인정받고 있다.

밀도 [密度, density]

단위체적당 질량

일반적으로 고체 상태의 물질은 분자들이 매우 빽빽하게 모여 있는 상태이므로 밀도가 크다. 액체 상태의 물질은 고체 상태에 비해 분자간의 거리가 멀기 때문에 좀 더 큰 부피를 차지하고, 고체보다 작은 밀도를 갖는다. 기체 상태의 물질은 분자간의 거리가 매우 멀어 같은 수의 분자에 대해 차지하는 부피가 고체나 액체에 비해 훨씬 크다. 그래서 밀도가 매우 작은 편이다.

따라서 일반적으로 밀도는 고체 > 액체 >> 기체의 순이다. 물의 경우는 예외적으로 고체의 부피가 액체의 부피보다 커 액체 > 고체 >> 기체 순으로 밀도가 크다. 고체나 액체의 경우 밀도는 온도나 압력의 변화에 의해 거의 변화하지 않는다. 그러나 기체의 경우에는 온도가 올라갈수록 부피가 커져 밀도가 작아지고, 압력이 높아질수록 부피가 작아져 밀도가 커진다

압력 [壓力, pressure]

똑바로 서 있으면 발바닥에 작용하는 체중에 의해 압력이 나타나고, 용기에 담긴 액체는 액체가 접한 안쪽 면에 압력을 준다. 또한 기체의 경우 기체 분자들이 활발하게 운동을 하여 기체가 담긴 그릇의 벽에 충돌하면서 그릇의 안쪽 벽에 압력으로 나타난다. 이처럼 압력은 물질의 상태 전반에 걸쳐 모두 나타나지만 일상에서 우리가 느끼지 못할 뿐이다.

기체의 압력과 부피

기체의 압력과 부피와의 관계는 보일의 법칙으로 설명할 수 있으며 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례한다. 즉, 기체의 압력이 증가하면 기체의 부피는 감소하고 부피가 줄어들면 단위 면적당 기체의 충돌횟수가 증가하여 압력이 커진다.

잠수병은 수압이 높은 깊은 물속에서 수면으로 갑자기 올라올 때 압력이 감소하면서 혈액 속의 질소기체의 부피가 커져 기포가 발생하고 이로 인해 혈액의 흐름을 방해함으로써 통증을 유발하는 병이다. 심할 경우 사망에 이를 수도 있지만 서서히 수면으로 올라옴으로써 급격한 압력의 감소를 피한다면 갑자기 부피가 증가하는 것을 막을 수 있다.

압력의 단위

CGS단위계로는 dyn/cm2, MKS단위계로는 N/m2(=Pa:파스칼)이 쓰이는데, 기상학에서는 hPa(헥토파스칼)·bar(바)·mbar(밀리바), 공업상으로는 atm 또는 kgW/cm2가 주로 쓰인다. 액주(液柱)가 밑면에 미치는 압력은 액체의 밀도와 액주의 높이의 곱이 되므로, 액체를 지정(수은·물·알코올 등)해서 액주의 높이로 압력의 크기를 나타내는 mHg(수은주 미터)·mmHg(수은주 밀리미터)의 단위로 표시하기도 한다.

보일의 법칙 [Boyle's law]

1662년 영국의 R.보일이 실험을 통하여 발견하였고, 또 1676년 E.마리오트도 독자적으로 발견하였기 때문에, 유럽에서는 보일-마리오트의 법칙이라고 한다.

용기 속에 넣어 둔 기체 분자는 모든 방향으로 활발한 운동을 하고 있기 때문에 용기벽에 충돌하여 힘을 주게 되는데, 이처럼 충돌에 의하여 용기벽의 단위 넓이에 작용하는 힘을 그 기체의 압력이라고 한다.

외부에서 압력을 가해 압축하여 기체의 부피를 1/2로 감소시키면 기체의 밀도는 2배가 되고, 단위 시간당 충돌 횟수도 2배가 되므로 압력도 처음의 2배가 된다. 반대로 밖의 압력이 작아지면 팽창하여 부피가 증가하게 된다. 따라서 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례한다. 그러나 그후 엄밀한 검토에 의하여, 실제기체는 이 법칙과 일치하지 않는다는 것이 밝혀졌다

보일-샤를의 법칙 [Boyle-Charles' Law]

일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례하고, 절대온도에 정비례한다는 법칙으로 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 합친것이다. 이 법칙은 영구기체에 의하여 실험적으로 발견하였으나, 실제기체에는 근사적으로만 성립한다.

보일의 법칙과 샤를의 법칙(게이뤼삭의 법칙)을 합친 것으로, 보일-게이뤼삭의 법칙이라고도 한다.

기체의 부피 V는 압력 P에 반비례하고, 절대온도 T에 정비례한다는 법칙으로 PV/T＝(일정)으로 표시할 수 있다. 또, 기체 1㏖을 취하면 PV＝RT로 나타낼 수 있다. 여기서 R은 기체의 종류와는 관계 없는 보편상수로서 기체상수라고 한다. 이 법칙은 처음에 영구기체에 의하여 실험적으로 발견하였는데, 실재기체에는 근사적으로만 성립한다는 것이 알려졌다.

그러나 모든 기체는 압력이 작고 온도가 높아질수록 이 법칙에 접근하는 성질이 있으므로, 열역학은 PV＝RT의 식에 따르는 가상적인 기체를 이상기체로 하고, 이 식을 이상기체의 상태방정식이라고 한다. 한편, 이 식으로는 실재기체의 상태를 나타내는 데는 불충분하므로, 보정항을 삽입한 식을 여러 가지로 고안하였다. a, b를 기체의 종류에 따르는 상수라고 할 때 (P＋a/V2)(V－b)=RT라는 판데르발스의 상태방정식도 그 중 하나이다.

CGS단위계 [CGS system of units]

일이나 에너지의 단위인 에르그(erg), 힘의 단위인 다인(dyne)은 이에 속한다. 1881년 국제적으로 정해진 단위계로서 이화학의 이론 전개에 편리하지만, 실용적으로는 단위가 너무 작고 전기의 실용단위와의 관계도 복잡해지는 결함이 있다. 따라서 최근에는 이를 대신하여 MKS 단위계 또는 거기에 절대 암페어를 기본단위로서 추가한 MKSA 단위계를 사용하는 경우가 많다.

그런데 전기 ·자기(磁氣)에 대한 단위를 정함에 있어서 쿨롱의 법칙에서 힘과 거리를 CGS 단위로 나타냈을 때 계수가 1이 되도록 전하의 단위를 정한 CGS 정전단위계와, 자기에 대한 쿨롱의 법칙에서 계수가 1이 되도록 자극(磁極)의 단위를 정한 CGS 전자기단위계가 있다. 또한 전기와 자기를 대칭적인 관계에 놓이도록 고친 가우스단위계가 있다.

MKS단위계 [MKS system]

이들 기본단위의 크기를 시간·공간 및 물질의 성질과 관계없이 정할 수 있으므로 절대단위계이다. 이 단위계에 온도를 더할 경우에는 섭씨온도(℃)를 사용한다. 각 단위의 크기가 실용적(實用的)이므로 세계적으로 이를 바탕으로 한 단위계로 통일되는 경향이 있으며, 한국에서 계량법(計量法)에 이용되고 있는 단위도 주로 이 단위계에 속한다. 전류의 단위인 암페어(A)를 더한 것을 MKSA단위계라 하는데, 이것도 일반적으로는 MKS단위계라 하는 경우가 많다. 이 단위계에서는 전자기적 단위로서 자기력선속(磁氣力線束)에 웨버(Wb), 자기장의 세기에 (암페어횟수)/m를 쓰는 것 외에는 실용단위(實用單位)인 볼트(V), 쿨롱(C), 옴(Ω), 패럿(F), 헨리(H) 등이 그대로 쓰인다. 이 단위계에서 기본 전자기방정식은 4π의 인자를 포함하지 않고 유리화(有理化)되어 있다.

기본단위 [基本單位, fundamental unit]

다른 단위는 물리법칙을 기본으로 하여 기본단위를 조합해서 만들어지는데, 이것을 유도단위(誘導單位)라고 한다. 가장 대표적인 기본단위는 물리량으로서 길이 ·질량 ·시간을 채용한 것인데, 각각 센티미터(cm) ·그램(g) ·초(s)로 나타낸 것을 CGS 단위, 미터(m) ·킬로그램(kg) ·초(s)로 나타낸 것을 MKS 단위라 한다. 전자기(電磁氣)에 대해서는 전기적인 양, 자기적인 양 중 어느 것을 기본으로 하는가에 따라 여러 가지 단위계가 있을 수 있으나, 1960년 국제도량형총회에서 전류의 단위인 암페어(A)를 기본단위로 한 MKSA 단위가 국제통일단위로 결정되었다. 동시에 열역학온도 켈빈(K), 광도(光度) 칸델라(cd)도 기본단위로 선정되었다

절대단위계 [絶對單位系, system of absolute units]

예컨대 기본단위로서 길이에 미터(m), 질량에 킬로그램(kg), 시간에 초(s), 전류에 절대암페어(A)를 채택한 MKSA단위계는 기준이 되는 미터원기, 킬로그램원기 등의 불변성이 보장되므로 절대단위계의 하나이다.

또 기본단위로서 센티미터(cm), 그램(g), 초를 채택한 CGS단위계도 절대단위계이다. 그러나 국제옴·국제암페어 등을 정의한 이전의 국제단위는 측정정밀도에 따라 값이 달라지므로 절대단위계가 아니다.

비중 [比重, specific gravity]

어떤 물질의 질량과 그것과 같은 체적의 표준물질의 질량과의 비

표준물질로서는 고체 및 액체의 경우에는 보통 1atm, 4℃의 물을 취하고, 기체의 경우에는 0℃, 1atm하에서의 공기를 취한다. 비중은 온도 및 압력(기체의 경우)에 따라 달라진다. 무차원수(無次元數)인데, 고체·액체에 대해서는 그 값이 소수점 이하 5자리까지 밀도와 일치한다. 대부분 비중과 밀도는 그 값이 같다고 생각해도 무방하다.

점성도 [粘性度, coefficient of viscosity]

유체 점성의 크기를 나타내는 물질 고유의 상수를 말하며 점성률 또는 점도라고도 한다. 흐름방향 x축에 직각인 y축 방향에서 유속 υ에 변화가 있을 때 x축에 평행인 면 안에 유체의 속도기울기에 비례하는 변형력 X=η∂υ/∂y가 작용하는데 이 때 비례상수 η가 점성도이다

점성률·점도라고도 한다. 유체의 점성 정도를 나타내는 중요한 값이다. 흐름방향 x축에 직각인 y축 방향에서 유속 υ에 변화가 있을 때 x축에 평행인 면 안에 유체의 속도기울기에 비례하는 변형력 X=η∂υ/∂y가 작용한다. 이때 비례상수 η가 점성도이다.

일반적인 단위는 kg/m·s 또는 Pa·s로 표시한다. 그외에도 CGS 단위계로는 g/cm·s를 사용하는데 1g/cm·s를 1poise(푸아즈)라고 하며, 1P로 표시한다. 또한 푸아즈의 100분의 1을 centi-poise(cP)라고 하며, 실험실에서 점도의 단위로 많이 사용하고 있다. 즉 1 poise =1g/cm·s =100cP =0.1kg/m·s로 표시할 수 있으며, 1cP =0.01g/cm·s =0.00672Ibm/ft·s =2.42Ibm/ft·hr로 표시한다. 국제단위계 단위로는 뉴턴초매제곱미터(N·s/㎡)를 사용한다.

포아즈 [poise]

기호 P. 1 s 사이에 1 g인 유체가 1 cm 이동하는 상태를 1 P라고 한다. 1 P는 보통 유체의 점성도를 나타내는 데는 너무 크므로 실제로는 그 1/100인 cP(센티푸아즈)를 쓰는 경우가 많다. 이를테면 20 ℃의 순수(純水)의 점성도는 1.002 cP이다. 명칭은 점성유체의 연구자 J.L.M.푸아죄유에 연유한다.

일 [work]

물체에 힘이 작용하여 움직일 때, 힘과 변위의 곱으로 주어지는 물리량. 일상생활에서 말하는 일과는 다른 개념이다.

일상생활에서 일은 사람이 체력을 소모하여 하는 모든 활동을 말한다. 하지만 물리적으로는 물체에 외부힘이 작용하여 그것이 힘의 방향으로 움직일 때, 외부힘이 물체에 일을 했다고 표현한다. 이것은 물체가 그 힘으로부터 일을 받았다는 표현과 같다. 예를 들어 높은 곳에 있던 물체가 낙하할 때, 중력은 물체에 일을 하고, 반대로 물체는 중력에게 일을 받는다. 단위로는 J(줄), erg(에르그) 등을 쓴다.

표면장력 [表面張力, surface tension]

액체의 자유표면에서 표면을 작게 하려고 작용하는 장력을 말하며 계면장력이라고도 한다. 이는 액면 부근의 분자가 액체 속의 분자보다 위치에너지가 크고, 이 때문에 액체가 전체로서 표면적에 비례한 에너지인 표면 에너지를 가지기 때문에 일어난다.

비누방울이나 액체 속의 기포 ·물방울 등이 구상(球狀)이 되는 것은 이 힘이 액면에 작용하기 때문이며, 용기의 가장자리에 액체가 넘쳐 올라간 모양이 되어 쏟아지지 않는 것도 액체 표면에 장력이 작용하기 때문이다. 수면에 떨어뜨린 기름방울이 금방 퍼지는 것은 물의 표면장력이 기름의 표면장력보다 크고, 기름층이 물의 표면장력에 의해 잡아 늘여지기 때문이다.

속도 [速度, velocity]

단위 시간 동안에 이동한 위치 벡터의 변위로서 물체의 빠르기를 나타내는 벡터량이다. 물체의 빠르기를 이동한 방향과 함께 나타낸다는 점에서 속력과 차이가 있다.

속력과 함께 움직이는 물체의 빠르기의 정도를 나타내는 양이다. 속력은 단위시간당 이동거리를 측정하여 계산하는 반면, 속도는 단위시간당 이동한 변위를 측정함으로써 그 크기가 결정된다. 속력과 같은 단위를 쓰지만 속력이 스칼라량임에 반해 속도는 변위 벡터와 같은 방향을 가지는 벡터량이다. 단위는 속력과 같이 변위/시간을 사용하며 주로 m/s, km/h 등이 쓰인다.

속도와 속력의 차이(이동거리와 변위의 개념 차이)

세 사람이 단위 시간 동안 그림에 표시되어 있는 것과 같은 세 가지의 경로를 따라 이동을 했다고 하자. 이동거리는 A>C>B의 순으로 길다. B는 직선 거리로 변위 벡터의 크기를 나타낸다. 만약 세 사람이 출발해서 도착할 때까지의 이동 시간이 모두 같다면 이 경우 이동 속도 또한 같게 된다. 처음과 끝점이 동일해 변위 벡터의 크기가 세 경우 모두 같기 때문이다. 이 때 속도 벡터의 방향은 도착지점 위치 벡터에서 출발지점 위치 벡터를 뺀 벡터의 방향과 같다. 하지만 이동 거리는 세 경우 전부 다르므로 속력은 A>B>C의 순이 된다.

속력과의 차이

1초 동안 어떤 사람이 반지름이 r m인 원 주위를 한 바퀴 돌아 제자리로 돌아왔다고 가정하자. 이 때 이 사람의 속력은 2*1*r=2r(m/s)이지만 변위가 0이므로 속도는 0(m/s)이다. 속력은 이동하는 이의 중간 과정을 모두 고려하지만 속도는 처음과 마지막의 상태만을 생각한다.

속도는 물체의 운동 상태를 기술하기 위한 중요한 양이다. 힘이 질량 a인 물체에 '얼마만한 크기'로 '어떤 방향'으로 작용하고 있는지를 알 때에 뉴턴의 2법칙을 적용해서 물체의 가속도를 계산할 수 있고 이 가속도를 적분함으로써 시간에 따른 물체의 속도를, 그리고 이 속도를 다시 적분함으로써 시간에 따른 물체의 위치를 역시 계산해서 예상할 수 있게 된다. 이를 기반으로 하여 중력 하에서의 직선 운동, 포물선 운동, 원운동 등 교과 과정에 나와있는 물체의 운동에 대한 흥미 있

는 계산을 직접 해 볼 수 있다.

온도 [溫度, temperature)

물체의 차고 뜨거운 정도를 수량으로 나타낸 것.

온도는 물리적으로는 열평형 상태를 나타내는 척도이며, 미시적으로는 물질 구성 입자의 아주 미세한 내부운동(열운동)의 에너지 평균을 정하는 척도이다. 따라서 통계역학에서는 온도를 물질 내에 있는 원자 또는 분자의 평균운동에너지라고 정의하고 있다. 일반적으로 온도계에 새겨진 눈금으로 표시하며 물체의 양(量)과는 무관한 세기 성질이다.

온도와 열

일상생활에서는 열과 혼동하여 사용하는 경우가 많은데, 열은 물체로 이동하는 내부에너지의 변화로서 열의 이동, 외부에 대한 일, 물질의 출입에 의한 에너지의 이동을 모두 포함하는 양인 반면, 온도는 물체가 가지고 있는 에너지의 수준이다. 열과 온도라는 두 개념이 분명하게 구별된 것은 온도계가 고안되어 온도를 인간의 감각에 의존하지 않고 일정한 수치로서 객관적으로 표시할 수 있게 된 18세기 이후이다.

온도의 단위

온도를 나타내는 단위는 섭씨온도, 화씨온도, 절대온도 세가지가 있다. 우리가 가장 많이 쓰는 섭씨온도는 1기압에서 물이 녹는 점을 0℃ 끓는점을 100℃로 정하여 그 사이를 100등분하여 단위로 정한 온도단위이다. 그리고 미국 등에서 주로 쓰는 화씨온도는 1기압에서 물의 녹는점을 32℉ 물의 끓는점을 212℉로 정하여 그 사이 구간을 180등분 한 것이다. 19세기 캘빈경이 정한 온도 눈금인 절대온도는 국제 표준으로 사용하는 온도체계이며 절대온도 0K는 이론적으로 가능한 최저온도이며 이상적인 기체의 부피가 0이 되는 절대영도로 -273℃(정확히는 -273.15℃)에 해당된다.

섭씨온도 [攝氏溫度, Celsius temperature scale]

물의 끓는점과 물의 어는점을 온도의 표준으로 정하여, 그 사이를 100등분한 온도눈금이다. 단위 기호는 ℃이다. 섭씨온도를 절대온도로 바꾸기 위해서는 273.16도를 더해주면 된다.

1기압에서 물의 어는점을 0℃로, 끓는점을 100℃로 하여 그 사이를 100등분한 온도이다. 단위 기호는 ℃이다. 1742년 스웨덴의 천문학자이자 물리학자인 A.셀시우스가 창시한 한란계에서 기원하기 때문에 셀시우스도라고도 한다.

섭씨온도에 대한 다음과 같은 2가지 항목이 셀시우스의 논문에서 토의됐다. ① 물의 삼중점을 섭씨 0.01℃로 정의한다. ② 섭씨에서 ℃를 이상기체 상태 온도의 도와 일치시키도록 한다. 국제단위계에서는 -273.16 ℃가 절대영도인 절대온도(K)를 채택하고 있으나, MKS단위계와 MTS단위계에서는 섭씨온도를 사용한다. 섭씨온도에서 물의 끓는점는 대기압 하에서 99.975도를 나타낸다. 섭씨를 화씨로 전환시키기 위해서는 1.8배를 곱한 다음 32를 더해 준다. 즉, F=1.8℃+32이다.

화씨온도 [華氏─, Fahrenheit's temperature scale]

파렌하이트 온도라고도 불리는 온도 눈금의 하나로 섭씨온도에 9/5배를 한 뒤 32를 더해주면 화씨온도가 된다.

파렌하이트 온도라고도 한다. 17세기 북이탈리아에서 액체를 봉입한 유리제 온도계를 발명하였다. 그 기술을 활용하여 1724년 독일의 파렌하이트가 최초로 사용하기 시작한 온도눈금으로, 이 때부터 온도 계측이 가능하게 되었다. '화씨'는 중국음에 맞춘 단어이다. 국가별로는 영국이나 미국에서 주로 사용하며, 과학적으로 이 온도눈금을 사용하는 경우는 많지 않다. 단위는 ℉를 사용한다.

1기압의 대기에서 물의 어는점(0℃)을 32℉ 끓는점(100℃)을 212℉로 정하고, 이를 180 등분한 눈금이다. 화씨눈금 및 섭씨눈금을 각각 F, C 라고 하면

인 관계가 있다.

절대온도 [絶對溫度, absolute temperature]

물질의 특이성에 의존하지 않는 온도눈금을 정의한 것으로 1848년 켈빈이 도입하였으며, 켈빈온도 또는 열역학적 온도라고도 한다. 통계역학적으로 엔트로피를 알면 절대온도 T를 구할 수 있다.

켈빈온도 또는 열역학적 온도라고도 한다. 1848년 켈빈(W.톰슨)이 도입하였다. 기호는 K(켈빈)으로 표시한다. 열역학 제2법칙에 따라 정해진 온도로, 이론상 생각할 수 있는 최저온도를 기준으로 하여 온도단위를 갖는 온도를 말한다. 국제도량형위원회는 모든 온도 측정의 기준으로 절대온도를 채택하고 있다. 그 특징은 섭씨·화씨·열씨 온도 등과는 달리 물질의 특별한 상태와 관계없다는 것이다.

온도눈금의 간격을 정할 때, 예전에는 물의 녹는점과 끓는점을 기준으로 해서 100등분한 것을 1도의 온도차로 정한 2정점법을 채택했다. 하지만 1954년 국제도량형총회에서 물의 삼중점(기체상·액체상·고체상의 평형점)을 273.16K로 정하고, 이를 기준으로 하여 열역학적 온도의 수치를 정하는 1정점법을 채택하였다. 이에 따라 측정한 물의 녹는점은 273.15K, 끓는점은 373.15K이다. 또 절대영도는 열역학적으로 생각할 수 있는 최저온도로서 분자의 열운동이 이 온도에서는 완전히 정지한다.

통계역학적으로 엔트로피를 알면 절대온도 T를 구할 수 있다. 또 원자·분자 등 열운동 평균에너지는 1자유도당 kT/2(k는 볼츠만상수)이다. 한편 열역학적 절대온도 표시 대신 그와 가까운 온도수치를 구하는 방법으로서 온도의 6정점과 각 정점간 온도측정을 내용으로 하는 국제실용온도표시법이 규정되어 있다.

에너지보존법칙 energy保存法則

<물리> 에너지의 형태가 바뀌는경우, 외부의 영향을 완전히차단하면 물리적·화학적 변화가 일어나도그변화에 관계없이전체의 에너지양은항상 일정하며, 무(無)에서에너지를 창조할 수 없다는 물리학의 근본 원리. 1840년에 헬름홀츠가 세웠다. ≒에너지 불멸의 법칙·에너지 항존의 원리.

에너지의 형태가 바뀌거나 한 물체에서 다른 물체로 에너지가 옮겨갈 때, 항상 계 전체의 에너지 총량은 변하지 않는다는 법칙.

열에서 기계힘을 얻고, 운동이 열로 바뀌고, 또 열로부터 빛이 생겨난다. 수력으로 발전을 일으켜서 전기에너지를 얻는다. 그 전기는 전열기로써 열로 바뀌고 모터로 동력으로 전환할 수 있다. 그런 현상은 밝혀졌지만 그 각각의 형태인 에너지의 상관관계는 좀처럼 밝혀지지 않았었다. 줄 등은 기계힘과 발생하는 열량을 정확하게 측정하였는데 그 결과로, 차츰 그들의 관계가 밝혀지고, 1842년 마이어에 의해 에너지 보존법칙이 확립되었다. 에너지는 열, 기계력, 전기, 빛, 운동 그리고 잠재하는 위치에너지로 모습을 바꾸더라도 그 양은 늘 일정하고 증감하는 경우가 없다. 그러므로 에너지는 무에서 탄생하는 경우도 없고 소멸되는 경우도 없다는 것이 밝혀진 것이다.

정리하면, 에너지는 그 전환 과정에서 한 형태의 에너지에서 다른 형태의 에너지로 전환될 뿐이며, 에너지 전환이 일어나기 전후의 에너지의 총합은 항상 일정하게 보존된다. 이것을 에너지 보존법칙이라고 한다. 물질 및 장(場)으로 이루어진 물리학적 체계에서 가장 기본적인 물리법칙 중 하나이다.

닫힌 계가 갖는 에너지의 총합은 어떤 물리화학적 변화가 일어나도 불변한다는 것을 의미하며, 외계에서 고립되어 서로 보존력을 미치고 있는 질점계가 가지는 전(全)에너지는 운동에너지 Σ(1/2)mv2(m은 질점의 질량, v는 속도)와 질점의 위치만으로 정해지는 위치(퍼텐셜)에너지의 합으로 표시한다. 즉, 중력이나 정전기력 등 물체(또는 대전입자)에 작용하는 힘이 물체의 위치만으로 정해지는 경우에는 그 물체의 위치에너지가 감소하면 그 몫만큼 운동에너지가 증가하고, 반대로 운동에너지가 감소하면 그 몫만큼 위치에너지로 저장되어 위치에너지와 운동에너지의 합은 늘 일정하게 유지된다.

역학적 에너지 범위 안에서의 이러한 관계를 역학적 에너지보존법칙이라 하며, 이 법칙이 성립하도록 힘이 작용하는 장소(중력장 ·정전기장 ·정자기장 등)를 보존력장이라고 한다. 한편, 상대성이론에 의하면 질량과 에너지의 동등성을 고려하는 데 따라서, 그리고 양자론에 의하면 반응이 일어나는 전후에 충분한 시간차를 두고 측정한 결과에 따라서 각각 에너지 보존법칙이 성립한다는 사실을 알 수 있다.

에너지 보전과 탄성충돌과의 관계.

질량이 같은 두 물체가 완전탄성충돌한다면 역학적 에너지가 보전되잖아요.

그런데 질량이 같은 두 물체가 충돌할 때 역학적 에너지가 보전된다면 두 물체는 완전탄성충돌이라 할까요?

질량이 같을 때 탄성계수가 1이 아니라고 하면 거짓말이 될 거 같아서요.

에너지가 보존된다고 하셨는데 에너지와 운동량은 어떤 경우든 보존되는 자연계의 기본 법칙입니다. 아마도 역학적 에너지가 보존되는 경우를 말씀하시는 것이라 생각됩니다. 역학적 에너지와 운동량이 보존되는 충돌을 완전탄성 출동이라고 하죠. 그러나 실제 이런 충돌은 이상기체에서 가능한 것이기 때문에 일상생활에서는 불가능합니다. 역학적 에너지가 보존되는 충돌이 없기 때문입니다

역학적 에너지보존의 법칙 力學的energy保存-法

<물리> 물체에 작용하여 일을 하는힘이 중력따위와 같이 보존력일 때 물체의 역학적 에너지가 일정하다고 하는법칙. 예를 들면, 공기의 저항을 생각하지 않을때추의운동 에너지는 가장낮은위치에서 최대가 되고가장높은위치에서 최소가 되어양쪽에너지의 합은 일정하게 유지된 채 운동이 계속된다.

일반적으로 운동체의 위치에너지와 운동에너지는 서로 전환할 수 있으며, 외부 힘이 작용하지 않는 한 서로 전환하여 그 합은 항상 일정하게 유지된다. 진자의 운동을 예로 들면, 추의 운동에너지는 가장 낮은 위치에서 최대가 되고 가장 높은 위치에서 최소가 되어 양쪽 에너지의 합은 일정하게 유지된 채 운동을 계속한다(이때 공기의 저항은 생각하지 않는다).

이러한 관계를 역학적 에너지보존법칙이라 하며, 이 법칙이 성립하는 역학계를 보존계(保存系)라고 한다. 진자의 운동 외에 용수철의 진동도 그 전형적인 예가 된다. 그러나 이 경우 에너지보존법칙은 역학적 과정에 한해 성립되는 것이며, 여기에 다른 형태의 에너지(열·전기 등)가 관여할 때는 성립하지 않는다.

이러한 점을 극복하고 에너지 변화과정을 모든 에너지로 확장하여 모든 에너지에 대해 보존법칙이 성립한다는 것이 열역학 제1법칙이다. 이 법칙은 물리학 전반에 걸쳐 성립하는 기본법칙으로 인정한다

위치에너지 [位置─, potential energy]

퍼텐셜에너지라고도 한다. 예를 들면, 지상의 높은 곳에 있는 물체는 내려올 때 일정한 일을 할 수 있으므로 중력(重力)에 의한 위치에너지를 가지는 것이 된다. 또 외력(外力)에 의해서 변형되어 있는 탄성체(彈性體)는 외력을 제거하면 각각의 변형에 대응하는 크기의 일을 다른 것에 미친다고 볼 수 있으므로, 변형에 의한 위치에너지를 가지는 것으로 본다. 즉, 위치에너지는 물체에 잠재적으로 저장되어 있는 에너지이며, 그 크기는 물체를 그 상태로 만들기 위해서 외부로부터 가해야 할 일의 크기로 측정한다.

예를 들면, 질량 m인 물체를 높이 h만큼 밀어올리는 데는 중력에 거슬러서 mgh(g는 중력가속도)의 일이 필요하다. 따라서,높이 h에 있는 질량 m인 물체의 위치에너지는 mgh가 된다. 또, 용수철을 탄성에 거슬러서 l만큼 늘이는 데는 fl/2(f는 외력의 크기)라는 일을 가해야 하므로, l만큼 늘어난 용수철의 위치에너지는 fl/2이다. 이러한 예에 한하지 않고, 일반적으로 물체에 작용하는 힘이 그 물체의 위치에 의해서만 결정될 때에는 항상 각각의 경우에 대응하는 위치에너지를 생각할 수 있다.

이런 종류의 힘을 흔히 보존력이라 하고, 보존력이 작용하는 장소를 보존력장 또는 퍼텐셜이 있는 힘의 장이라고 한다. 중력·탄성력 외에 정전기력(靜電氣力)·자기력(磁氣力) 등은 모두 보존력이며, 전위(電位)·자위(磁位)가 이 경우의 위치에너지에 해당한다.

운동에너지 [運動─, kinetic energy]

물체가 운동할 때 지니는 에너지. 질량 m인 물체가 속도 v로 운동하고 있을 때는 mv2/2으로 표시된다. 운동상태가 바뀌어 속도가 떨어지면 그에 대응하는 운동에너지가 외부에 일로 나타난다. 가령 운동하고 있는 물체가 마찰을 받아 정지할 때는 운동에너지가 마찰저항에 대한 일로 소비되어 열이나 소리 등 다른 에너지로 바뀐다. 그러나 물체의 운동상태를 바꾸는 힘이 중력이나 전기력 ·자기력 등과 같이 물체의 위치만으로 정해질 경우에는 외부로부터의 작용이 없는 한 운동에너지의 변화는 위치에너지(퍼텐셜에너지)로 저장되며, 반대로 물체의 위치에너지가 줄면 그만큼 운동에너지가 늘어 둘의 합이 항상 일정하게 보존된다. 진자의 운동 등이 그 전형적인 예이다. 이 관계를 보통 역학적에너지보존법칙이라 한다. 한편 상대론적역학에서는 정지질량 mo인 물체가 속도 v로 운동하고 있을 때의 에너지는

으로 표시된다. 이것은 v=0이더라도 m0c2이라는 값을 가지고 있으므로, 운동에너지는

가 되며, 이것은 v가 c에 비해 충분히 작을 때는 m0v2/2이 되어 고전역학에서의 값과 일치한다.

양정 [揚程, lift]

기계공학에서 펌프가 물을 퍼올리는 높이

펌프가 실제로 양수하는 수면간의 높이의 차를 실양정(實揚程)이라 하며, 도중의 손실을 감안해서 실양정에 가산한 것을 전양정(全揚程)이라고 한다.

전양정은 펌프의 흡입면에서부터 배출면까지의 연직거리(鉛直距離)와 양면에 가해지는 압력수두(壓力水頭) 및 관로(管路)의 저항손실 수두를 가한 것으로, 실제로 펌프를 운전할 때 펌프는 이것과 같은 세기의 압력수두를 내어야 한다.

수두 [水頭, head]

유체(流體)가 지니는 에너지를 길이의 단위로 나타낸 것

간단히 헤드라고도 한다.

베르누이의 방정식

에 의하면 이상유체(理想流體) 속에 1개의 유선상에 있는 각 점의 높이 ·압력 ·유속에 관한 에너지는 일정하다는 것을 알 수 있다. 여기서 z는 유체 속의 1점의 기준면으로부터의 높이, p는 압력, w는유체의 단위질량, v는 유속이며, 방정식의 각 항은 길이의 차원(dimension)을 가진다. 따라서 자유수면으로부터 깊이 h인 정수압력(靜水壓力) p＝wh는 h＝p/w라고도 할 수 있다. h를 압력수두, z를 고도수두(또는 위치수두), v2/2g을 유속수두(또는 속도수두), H를 全수두라 한다.

등가길이(等價)

관부속품 및 밸브류를 직관길이로 환산한 값

관내 마찰에 의한 압력손실 계산식

직관 및 배관부속의 관내 마찰에 의한 압력 손실 계산식

일반적으로 직관의 길이에 따른 마찰손실에 의한 압력 강하는

하젠-윌리엄스(Hazen-Wiliams) 공식으로 구할 수 있다

ΔP = 6.174 x Q1.85 x105 / (C1.85 x d4.87)

ΔP= 마찰손실에 의한 배관길이 1m당 압력강하 (Kg/Cm2)

Q= 관내의 유량 (l/min)

d= 관의 내경 (mm)

C= 관의 조도 (120)

예제) 유량이 1000 l/min이며 관경이 100mm 이고 관길이 10m 일 때 마찰 손실에 의한 압력강하는?

ΔP = 6.174 x 10001.85 x105x10 / (1201.85 x 1004.87)=0.057(Kg/Cm2)

만약에 여기서 용접식 90엘보가 1개,게이트 밸브가 1개가 들어간다면 아래의 등가길이를 적용하여

다음과 같이 압력손실값을 구할 수 있다.

ΔP = 6.174 x 10001.85 x105x(10+3.2+0.7) / (1201.85 x 1004.87)=0.079(Kg/Cm2)

배관부속류와 밸브류에 대한 등가길이를 더하면 배관에서 마찰에 의한 압력 손실값을 좀더 정확하게 계산할 수 있다.

등가길이란 관부속 및 밸브류를 각Size별로 직관길이(m)로 환산한 값이다.

상사(相似)의 법칙

기원이 서로 다른 구조들의 외관 및 기능이 유사한 현상.

예를 들면 파 리·나방·새의 날개는 각각 독립적으로 발생했지만 비행이라는 공통기능을 갖도록 적응했으므로 이것을 상사성(相似性)이라 한다. 이 동물들의 날개에서처럼 상사구조를 지닌다고 해서 생물 들이 서로 진화적으로 가깝다는 것을 의미하는 것은 아니다. 상사는 진화의 한 양상에 불과 하며, 공통가계의 강한 증거가 되는 배(胚)의 기원과 발생이 비슷한 상동과는 뚜렷이 구분 된다.

많은 경우에 있어서 상사구조나 상사기관은 수렴(收斂)과정에 의해 외관상 유사하게 되는 경향이 있어 오징어·상어·바다표범·돌고래·펭귄, 그리고 고생물인 어룡(魚龍)의 몸이 유 선형으로 수렴한 것에서도 나타난다. 또한 생리과정과 행동양상도 상사 수렴되는 경우가 있 다. 생물학적 유연 관계가 아주 먼 코브라·큰가시고기·낙지 및 거미에서 공통적으로 나타 나는 알을 지키는 행위는 독립적으로 진화해온 것이라 보고 있다. 많은 종류의 남·북 아메 리카 대륙의 선인장류와 아프리카의 대극과(大戟科) 식물들은 일반적으로 건조한 환경에 잘 적응하여 다육다즙(多肉多汁)으로 가시를 가져 물을 저장하는 서로 비슷한 형태를 갖고 있 다. 그러나 선인장과 대극과 식물은 비슷한 환경하에서 적응할 수 있도록 독립적으로 진화 해오는 동안에 공통의 특징을 가지게 되었으나 이들은 서로 다른 과에 속한다.

온도 [溫度, temperature]

물체의 차고 뜨거운 정도를 수량으로 나타낸 것

온도는 물리적으로는 열평형 상태를 나타내는 척도이며, 미시적으로는 물질 구성 입자의 아주 미세한 내부운동(열운동)의 에너지 평균을 정하는 척도이다. 따라서 통계역학에서는 온도를 물질 내에 있는 원자 또는 분자의 평균운동에너지라고 정의하고 있다. 일반적으로 온도계에 새겨진 눈금으로 표시하며 물체의 양(量)과는 무관한 세기 성질이다.

온도와 열

일상생활에서는 열과 혼동하여 사용하는 경우가 많은데, 열은 물체로 이동하는 내부에너지의 변화로서 열의 이동, 외부에 대한 일, 물질의 출입에 의한 에너지의 이동을 모두 포함하는 양인 반면, 온도는 물체가 가지고 있는 에너지의 수준이다. 열과 온도라는 두 개념이 분명하게 구별된 것은 온도계가 고안되어 온도를 인간의 감각에 의존하지 않고 일정한 수치로서 객관적으로 표시할 수 있게 된 18세기 이후이다.

온도의 단위

온도를 나타내는 단위는 섭씨온도, 화씨온도, 절대온도 세가지가 있다. 우리가 가장 많이 쓰는 섭씨온도는 1기압에서 물이 녹는 점을 0℃ 끓는점을 100℃로 정하여 그 사이를 100등분하여 단위로 정한 온도단위이다. 그리고 미국 등에서 주로 쓰는 화씨온도는 1기압에서 물의 녹는점을 32℉ 물의 끓는점을 212℉로 정하여 그 사이 구간을 180등분 한 것이다. 19세기 캘빈경이 정한 온도 눈금인 절대온도는 국제 표준으로 사용하는 온도체계이며 절대온도 0K는 이론적으로 가능한 최저온도이며 이상적인 기체의 부피가 0이 되는 절대영도로 -273℃(정확히는 -273.15℃)에 해당된다.

절대온도 [絶對溫度, absolute temperature] = 캘빈온도

물질의 특이성에 의존하지 않는 온도눈금을 정의한 것으로 1848년 켈빈이 도입하였으며, 켈빈온도 또는 열역학적 온도라고도 한다. 통계역학적으로 엔트로피를 알면 절대온도 T를 구할 수 있다.

켈빈온도 또는 열역학적 온도라고도 한다. 1848년 켈빈(W.톰슨)이 도입하였다. 기호는 K(켈빈)으로 표시한다. 열역학 제2법칙에 따라 정해진 온도로, 이론상 생각할 수 있는 최저온도를 기준으로 하여 온도단위를 갖는 온도를 말한다. 국제도량형위원회는 모든 온도 측정의 기준으로 절대온도를 채택하고 있다. 그 특징은 섭씨·화씨·열씨 온도 등과는 달리 물질의 특별한 상태와 관계없다는 것이다.

온도눈금의 간격을 정할 때, 예전에는 물의 녹는점과 끓는점을 기준으로 해서 100등분한 것을 1도의 온도차로 정한 2정점법을 채택했다. 하지만 1954년 국제도량형총회에서 물의 삼중점(기체상·액체상·고체상의 평형점)을 273.16K로 정하고, 이를 기준으로 하여 열역학적 온도의 수치를 정하는 1정점법을 채택하였다. 이에 따라 측정한 물의 녹는점은 273.15K, 끓는점은 373.15K이다. 또 절대영도는 열역학적으로 생각할 수 있는 최저온도로서 분자의 열운동이 이 온도에서는 완전히 정지한다.

통계역학적으로 엔트로피를 알면 절대온도 T를 구할 수 있다. 또 원자·분자 등 열운동 평균에너지는 1자유도당 kT/2(k는 볼츠만상수)이다. 한편 열역학적 절대온도 표시 대신 그와 가까운 온도수치를 구하는 방법으로서 온도의 6정점과 각 정점간 온도측정을 내용으로 하는 국제실용온도표시법이 규정되어 있다.

절대영도 [絶對零度, absolute zero point]

열역학적으로 생각할 수 있는 최저 온도로 절대온도 0K를 말하며 섭씨온도로는 －273.16℃에 해당한다. 양자역학에 의하면 불확정성원리에 따른 에너지가 완전하게 확정되어 있는 계는 시각의 불확정성이 무한대가 되며, 통계역학적으로 절대영도일 때 에너지는 완전히 확정되어 있으므로 절대영도에 도달하려면 무한대의 시간이 필요하여 실험적으로는 도달할 수 없다.

절대온도 0K를 말한다. 섭씨온도의 －273.16℃에 해당한다. 열역학 제3법칙에 의하면 0K 상태에서는 엔트로피가 0이다. 또한 동일한 물질이 서로 다른 상태 사이에서의 전이가 등온 변화로 일어나거나 열평형 상태일 때, 절대온도가 0K에 도달하거나 0K이면 계의 엔트로피 변화가 0에 접근하거나 0이 된다는 열역학 제3법칙인 네른스트-플랑크의 원리에 의하면, 보통 유한한 온도상태에서는 절대영도 상태에 도달할 수 없는 것으로 알려져 있다.

통계역학적으로 볼때 모든 계가 최저 에너지 상태에 있는 경우를 절대영도라고 하며, 이때 계의 에너지는 완전히 확정되어 있다. 한편 양자역학에 의하면 불확정성원리에 따른 에너지가 완전하게 확정되어 있는 계는 시각의 불확정성이 무한대가 된다. 즉 절대영도에 도달하려면 무한대의 시간이 필요하며, 따라서 실험적으로는 도달할 수 없다

섭씨온도 [攝氏溫度, Celsius temperature scale]

물의 끓는점과 물의 어는점을 온도의 표준으로 정하여, 그 사이를 100등분한 온도눈금이다. 단위 기호는 ℃이다. 섭씨온도를 절대온도로 바꾸기 위해서는 273.16도를 더해주면 된다.

1기압에서 물의 어는점을 0℃로, 끓는점을 100℃로 하여 그 사이를 100등분한 온도이다. 단위 기호는 ℃이다. 1742년 스웨덴의 천문학자이자 물리학자인 A.셀시우스가 창시한 한란계에서 기원하기 때문에 셀시우스도라고도 한다.

섭씨온도에 대한 다음과 같은 2가지 항목이 셀시우스의 논문에서 토의됐다. ① 물의 삼중점을 섭씨 0.01℃로 정의한다. ② 섭씨에서 ℃를 이상기체 상태 온도의 도와 일치시키도록 한다. 국제단위계에서는 -273.16 ℃가 절대영도인 절대온도(K)를 채택하고 있으나, MKS단위계와 MTS단위계에서는 섭씨온도를 사용한다. 섭씨온도에서 물의 끓는점는 대기압 하에서 99.975도를 나타낸다. 섭씨를 화씨로 전환시키기 위해서는 1.8배를 곱한 다음 32를 더해 준다. 즉, F=1.8℃+32이다.

전기음성도 [電氣陰性度, electronegativity]

원자가 전자를 끌어 당기는 능력

분자 내 원자가 그 원자의 결합에 관여하고 있는 전자를 끌어당기는 정도를 나타내는 척도를 말한다. 이것은 가전자 껍질에 있는 원자수와 핵에 떨어져 있는 껍질 간 거리의 함수이다. 거의 채워져 있는 껍질은 완전히 채우려고 하는 성질이 있으며, 거의 빈 껍질은 쉽게 전자를 포기하는 경향이 있다. 예를 들면 가전자 7을 갖는 염소는 외부껍질을 채우기 위해 전자를 얻으려고 하지만 그 반면 나트륨은 그의 가전자를 쉽게 포기한다. 전기음성도는 주기율표에서 오른쪽으로 위로 갈수록 증가하며, 결합의 형을 결정한다.

전기음성도의 척도를 어떻게 정하는가에 대하여는 여러 의견이 있는데, 다음 두가지 방법이 가장 잘 알려져 있다. 첫째, 1932년에 L.C.폴링이 제창한 것으로서, 결합에너지로부터 계산하는 방법이다. 둘째, 1934년에 R.S.멀리컨이 제창한 것으로, 각 원자의 이온화에너지와 전자친화력 사이의 합을 구한다. 즉, 전자를 빼앗기는 힘의 척도와 전자를 끌어당기는 척도의 평균을 구하는 것이다.

원자들의 전기음성도가 큰 경우에는 원자의 개개 쌍 사이 공유결합으로 전자를 공유한다. 원자들의 전기음성도가 작은 경우에는 금속결합으로 모든 원자들 사이에 전자를 공유한다. 또 원자의 일부는 전기음성도가 크고 일부는 작은 경우에는 하나의 원자에서 다른 원자로 전자가 이동하여 이온결합을 한다.

임계압력 [臨界壓力, critical pressure]

임계온도에서 기체를 액화시키는데 필요한 가장 낮은 압력이다. 액체와 기체로 나눌 수 없는 상태로 증기압력곡선은 이 지점까지만 그릴 수 있다.

액체와 기체 두 상태를 서로 분간할 수 없는 임계상태일 때의 증기압을 말한다. 이 때의 온도를 임계온도라 하며, 일반적으로 기체는 임계온도 이하로 온도를 내리지 않는 한 아무리 압력을 가하여도 액화되지 않는다. 기체와 액체가 공존한다는 것은 임계온도까지만 적용할 수 있으며, 증기압력곡선 또한 임계온도까지만 그릴 수 있다. 임계온도와 임계압력 이상이 되면 물질은 기체도 액체도 아닌 유체의 형태를 지닌다.

물의 임계온도는 374℃, 물의 임계압력은 218.3atm이다

임계온도 [臨界溫度, critical temperature]

기체상에서 액체상으로 상전이가 이루어지는 온도점이다. 이 온도보다 낮은 상태의 기체는 적당한 압력을 가하면 액체로 상태변화가 일어나지만, 이 온도보다 높을 경우, 액화되지 않는다. 열역학적으로는 온도와 압력, 부피 등을 변화시켜도 상태변화가 일어나지 않는 온도를 뜻한다

일반적으로 이상기체를 등온적으로 압축하면 압력(p)-부피(v) 곡선은 어느 온도에서나 쌍곡선을 그리지만, 실제로 기체는 일정한 온도 이하가 되면 이 곡선상에 v축으로 평행인 부분이 나타난다. 이것은 어느 한계점 이하의 온도에서는 기체를 압축에 의해서 액화할 수 있음을 나타내는 것으로, 이 한계점에 해당하는 온도를 기체의 임계온도라고 한다. 열역학 용어로 온도·압력·부피를 변화시키며 기체의 액화, 액체의 기화 등의 변화가 일어날 때, 어느 점부터는 변화가 일어나지 않게 되는 상태의 온도를 말한다.

예를 들면 암모니아는 132℃, 이산화탄소는 31℃, 산소는 －119℃가 임계온도로 알려져 있으며, 이보다 높은 온도에서는 압력을 아무리 크게 해도 기체는 액화하지 않는다. 순수물질에 있어서 평형상태는 온도와 압력에 의해 결정되며, 일반적으로 고체·액체·기체 등 각 상의 존재 범위를 나타낼 수 있다.

임계점 [臨界點, critical point]

액체와 기체의 두 상태를 서로 분간할 수 없게 되는 임계상태에서의 온도와 이 때의 증기압이다. 따라서 이 점까지만 액체가 존재할 수 있다. 한편, 임계점 이상의 고온, 고압 상태에서는 물질 사이의 밀도변화가 연속적이므로 기체가 액화하지 않는다.

저온상에서 고온상으로 상이 변화할 때, 저온상이 존재할 수 있는 한계온도·압력을 말한다. 일반적인 물리학에서는 부분적으로만 혼합되는 두 액체의 경계가 소실됨으로써 완전히 일체화 되는 경우의 온도와 압력을 말한다. 보통 각 물질의 임계압력·임계밀도에 의하여 임계점이 결정되는데, 물질의 임계온도로 나타낸다. 이러한 현상이 나타나는 물질의 상태를 임계상태라고 한다. 그 종류는 퀴리온도, 액체상에서 기체상으로의 상변화에 의해 나타나는 임계상태 등이 있다.

예를 들면, 밀폐용기에 물을 넣고 온도를 높였을 때 물은 팽창하여 밀도가 작아지고 포화수증기는 압력이 증가하여 밀도가 커지므로, 물과 수증기의 밀도차는 점점 작아진다. 374.2℃에 이르러서는 결국 물과 수증기의 밀도차가 없어지기 때문에 물과 수증기를 구별할 수 없게 된다. 한계점 이상의 고온·고압에서는 물질의 밀도가 연속적으로 변화하기 때문에 기체의 액화가 일어나지 않는다.

몰(mole, 기호: mol)은 물질에 있는 입자의 수를 나타내는 SI 단위계의 단위이다. 차원이 없는 무차원수이다. 우리가 달걀 한 판을 30개, 연필 12개를 한 다스라고 하는 것과 같이 1 몰은 12g에 해당하는 탄소-12원자의 수로 정의되며 아보가드로 수(약 6.0221415×1023

개)와 같다.

화학식량

원자량, 평균원자량, 분자량, 실험식량 등등을 통칭하여 화학식량이라 한다.

1. 원자량

12C 탄소의 원자량을 12.00으로 하고 이에 비교한 다른 원자의 상대적인 질량이다. 이 것은 화학이 발달하면서 좀더 간편하고, 정확한 계산을 위하여 변화하여 왔다. 질량수 12인 탄소 이전에는 수소와 산소가 쓰인 적이 있다.

2. 평균원자량

자연상태에 존재하는 동위원소의 존재비를 고려한 각 동위원소의 원자량의 평균값 예를 들어 탄소는 자연상태에서 12C 98.9% 13C 1.1% 정도가 존재하며 이를 평균한 값은 다음과 같다.

12.00 ×98.90 + 13.00 ×1.10 / 100 = 12.01

3. 분자량

분자를 구성하는 원자들의 원자량의 총합이다.

예를 들어 CO₂는 탄소 한개와 산소 2개로 이루어져 있고, 탄소의 원자량은 12, 산소의 원자량은 16이므로 12 ×1 + 16 ×2 = 44.00 이다.

4. 실험식량

실험식을 이루는 원자들의 원자량의 총합

실험식이란 어떤 분자를 이루는 화학식을 가장 간단한 정수비로 나타낸 것이다.

예를 들어 과산화수소 H₂O₂ 의 실험식은 HO 이다.

이 외에 분자가 없는 이온도 실험식으로 나타낸다.

5. 몰(mole)의 개념

-몰의 탄생: 기체에 관한 연구를 진행하게 되었을 때, 기체 분자는 셀 수 없이 많아 이를 나타내기가 곤란하였다. 그리하여 어떤 입자가 아보가드로 수(단위: 개) 일 때 이를 1 mole 이라 나타내기로 하게 되었다.

즉, 1 몰이란 것은 연필 한 다스, 굴비 한 두름 등과 같은 갯수의 단위인 것이다.

* 아보가드로 수는 x선 회절 등의 실험으로 구하여진다.

-몰의 질량 : 화학식량에 단위 g 을 붙인 값으로 입자 6.02 ×10^23 개의 질량이다. 그러므로 소원자 1 mol : 12 g 이 되므로 이를 이용하여 탄소원자 한 개의 질량을 직접 구할 수도 있다.

1 mol : 12 g = 1 : x g

6.02 ×10^23 : 12 = 1 : x g

x= 1.99 × 10^-23 g

-기체 1 mol 의 부피

표준상태라 불리는 0 ℃ 1 기압(atm) 에서 기체의 종류에 관계없이 22.4 L 를 차지한다.

* 몰수의 개념 및 활용

몰수 n = 질량/화학식량 = 부피/22.4L = 분자수/ 6.02 ×10^23

아보가드로의 법칙

일정한 온도 및 압력하에서 모든 기체는 같은 부피 속에 같은 수의 분자를 갖는다고 하는 법칙으로 1811년 이탈리아의 아보가드로가 제안했으나, 당시에는 분자의 존재가 증명되지 않았기 때문에 가설(假說)로서(아보가드로의 가설) 취급되었다. 그 후 기체분자운동론의 입장에서 증명이 이루어졌고, 또한, 실험적으로 아보가드로수가 결정되어, 아보가드로의 법칙이라고 부르게 되었다.

19세기 초 J. 돌턴 및 J. J. 베르셀리우스가 주장한 원자론에서는 모든 기체의 가장 작은 단위를 원자로 생각하였기 때문에, 기체반응의 법칙(예를 들면, 수소 2부피와 산소 1부피가 반응하여 수증기 2부피를 만든다) 등을 설명할 수 없었다.

이것을 해결하기 위해 아보가드로는 “모든 기체는 그 성질을 지니는 최소단위가 분자이고, 같은 기체의 분자는 같은 모양과 같은 무게를 가지며, 등온 ·등압 ·등부피의 각종 기체 속에는 같은 수의 분자가 들어 있다. 그리고 이들 분자는 몇 개의 성분원자로 구성되어 있다”고 가정하였다. 이 가정에 의해 산소분자는 2개의 산소원자로, 수소분자는 2개의 수소원자로 되어 있고, 수증기분자는 2개의 수소원자와 1개의 산소원자로 되어 있다고 주장하여, 기체반응의 법칙을 설명할 수 있게 되었다.

이 가설은 원자와 분자 사이의 구별을 명백히 하고 있어, 근대 화학이 성립되는 기초를 이루고 있으나, 당시에는 중요성을 인정받지 못했으며, 1858년 S. 카니차로의 소개로 비로소 그 중요성이 널리 알려지게 되었다.

질량보존의 법칙과 기체반응의 법칙, 아보가드로의 법칙

1. 질량보존의 법칙이란?

1774년 프랑스의 과학자 라부아지에 의해 제안되었으며, '화학 반응의 전후에서 반응 물질의 질량의 총합과 생성 물질의 질량의 총합은 같다 '는 법칙이다.

2. 기체반응의 법칙이란?

1808년 여러 실험에 의해 게이 뤼삭은 '온도와 압력이 같으면 반응하는 기체와 생성되는 기체의 부피 사이에는 간단한 정수비가 성립한다'는 기체 반응의 법칙을 발표하였다.

3. 아보가드로의 법칙이란?

1811년 <단위입자의 상대적 질량 및 이들의 결합비를 결정하는 하나의 방법>이라는 논문을 통해 발표한 법칙으로 '온도와 압력이 같으면 모든 기체는 같은 부피 속에 같은 수의 분자를 포함한다' 는 가설이 나중에 입증되어 법칙으로 되었다.

※ 적용)) 암모니아 생성반응

암모니아 생성 반응을 화학식으로 나타내면 다음과 같습니다.

N2 + 3 H2 → 2 NH3

① 질량보존의 법칙

반응전에 질소원자 2개, 수소원자 6개 이였던 것이 반응후에도 갯수가 변하지 않고 그대로 질소원자 2개, 수소원자 6개 있는 것이 보이실 겁니다. 따라서 화학반응 전후의 질량에는 변함이 없다는 질량보존의 법칙으로 암모니아 생성반응이 설명됩니다.

② 기체반응의 법칙

잔응하는 기체와 생성되는 기체의 부피 사이의 정수비는 질소 : 수소 : 암모니아 = 1 : 3 : 2 입니다. 부피비가 곧 분자식 앞에 있는 계수비를 의미 합니다.

③ 아보가드로의 법칙

아보가드로의 법칙은 기체 반응의 법칙을 설명할 때 필요한 가설인데요. 기체반응의 법칙에서 "계수비 = 부피비" 가 되기 위해서 꼭 필요한 것 입니다. 만약에 모든 기체가 같은 부피속에 같은 수의 분자를 포함하고 있지 않다면, "부피비 = 계수비"는 성립하지 않습니다.