금속의 녹는점을 이용한 온도계의 원리

금속은 딱딱한 고체로 존재하는게 일반적이다. 그러나 예외적으로 액체에 가까운 금속도 있다. 갈륨이나 세슘은 녹는점이 사람의 체온보다 낮기 때문에 손바닥에 고체상태로 두면 금방 녹아버린다. 녹는점이란 물질이 고체에서 액체로 상태가 변화할 때의 온도를 말한다. 대표적으로 알려진 액체상태의 금속인 수은은 녹는점인 -39˚C가 될 때까지 액체 상태로 존재하여 온도계에 사용된다.

온도계의 종류는 매우 많으나 크게 알코올온도계, 수은온도계와 같은 아날로그온도계와 디지털온도계로 나눌 수 있다.

수은온도계는 수은의 열팽창을 이용한 온도계로, 유리 세관에 눈금이 있고 수은통이 아래부분에 있는 구조다. 

수은과 모세관의 부착력보다 수은의 응집력이 더 커서 수은이 유리관에 잘 부착하지 않으며, 38˚C~356˚C까지 광범위하게 측정할 수 있는 등의 장점이 있어서, 체온계나 한란계 등 일상생활의 온도계를 비롯해 널리 사용되고 있다.

* 부착력: 액체와 유리관 사이의 힘

* 응집력: 액체를 구성하고 있는 입자 사이의 힘

체온계는 수은으로 만든 온도계의 대표적인 예다. 대표적인 수은온도계에는 땅 속의 온도를 재는 온도계인 지중온도계와 하루 중의 가장 높은 온도와 가장 낮은 온도를 잴 수 있는 최고 최저 온도계가 있다.

한편, 수은온도계는 0˚C~100˚C 범위 이외에서는 오차가 크고 또 그 범위 내에서도 오차가 생길 우려가 있어서 정밀한 측정에는 백금저항온도계 등의 다른 온도계를 쓰는 경우가 많다.

게다가 수은은 인체에 유해하기까지 하여 의료용이나 과학 실험 등에서 좀 더 안전한 알코올 온도계나 디지털 온도계 등을 사용하는 추세로 점차 바뀌고 있다.

수은은 약 300˚C 에서 끓기 시작하기 떄문에 수은을 사용할 경우에는 300˚C 이상의 높은 온도는 측정할 수 없다. 그러나 이에 반해 갈륨은 약 4,000˚C 에서 끓기 시작하기 때문에 고온 측정용 온도계에 알맞다.

위의 여러 온도계 외에도 700˚C~3000˚C 까지의 고온을 잴 수 있는 광고온계, 토스터나 다리미에 이용되는 구리판과 철판을 붙여서 만든 온도계인 바이메탈 온도계, 수소, 헬륨, 질소 등을 넣어 만든 온도계인 기체온도계가 있다.

레이저를 이용한 비접촉식온도계도 있는데, 대표적인 비접촉식온도계에는 적외선 온도계가 있다. 이 온도계는 손이 닿지 않는 곳을 측정할 때 주로 쓰인다. 물질에서 방출되는 적외선 복사 에너지의 세기를 열로 변환 감지하여 온도를 측정하는 방식이다.