켈빈은(는) 여기로 연결됩니다.
다른 의미에 대한 내용은 켈빈(동음이의어) 문서 참고하십시오.1. 개요
절대 온도(絶對溫度)는 물질의 특이성에 의존하지 않고 눈금을 정의한 온도로, 온도의 SI 단위이다. 단위는 켈빈(Kelvin, [math(rm K)])으로, 반드시 대문자로 써야 하며 다른 온도 단위와 다르게 정의에 두 기준점을 필요로 하지 않기 때문에 [math(\degree)] 표시를 붙이지 않는다(온도 문서 참조). 단위의 명칭은 이를 연구한 켈빈 남작에서 따왔다. 이상 기체의 엔트로피 [math(S)]와 엔탈피 [math(H)]가 모두 최저점이 된 상태를 [math(\rm0\,K)]으로 정의[1][2]하지만 불확정성 원리 및 이를 바탕으로 유도된 열역학 제3법칙에 의해 [math(\bf0\,K)]을 구현하는 것은 불가능하다.[3][4] [math(rm0,degree!C)]는 [math(\rm273.15\,K)]에 해당한다. 온도의 간격은 섭씨와 같기 때문에, 절대온도의 상대온도 수치는 섭씨의 상대온도 수치와 같다.2. 역사
켈빈 경이 1848년, 정의하는 데에 특정 물질이나 두 기준점이 필요한 섭씨나 화씨[5] 말고 어떤 기준에 따라 변하지 않는 절대적인 온도 기준을 세우자고 제안해서 나온 단위가 절대온도로, 당시엔 샤를의 법칙에서 외삽으로 추정되는 영점, 즉 [math(\rm0\,K \equiv -273.15\,\degree\!C)][6] 외에 조건이 없는 애매한 상태였다. 절대온도의 개념이 막 수립되기 시작한 이 당시에는 섭씨의 온도 간격을 유지하면서 [math(0)]도의 기준만 바꿨기 때문에 엄밀하게 따지면 당시에는 기호로도 [math(\rm\degree\!K)](켈빈도)를 사용하여 1968년까지 [math(\rm0\,\degree\!K \equiv -273.15\,\degree\!C)]로 나타냈었다.그러다가 1954년 프랑스 파리에서 열린 국제도량형총회(CGPM, Conférence Générale des Poids et Mesures)[7]의 제10차 회의 세 번째 결의안에서 물의 삼중점이 [math(\rm273.16\,\degree\!K)]이고 온도 간격은 이것의 [math(\dfrac1{273.16})]이라 하는 것으로 온도를 재정의하였고 1967년 제13차 회의 세 번째 결의안에서는 이름과 표기를 '켈빈도(degree kelvin; [math(\rm\degree\!K)])'에서 '켈빈(kelvin; [math(\rm K)])'으로 변경하기로 합의하였다.
2005년에 들어서 물의 삼중점이 동위원소의 비율에 따라 달라진다는 문제점이 국제도량형위원회(CIMP, Comité International des Poids et Mesures)[8]에서 제기되어 빈 표준 평균 바닷물(VSMOW, Vienna Standard Mean Ocean Water)[9]의 동위원소 비율을 기준으로 삼기로 결론을 내렸으나 이 동위원소 비율도 시간에 따라 일정하지 않은 문제가 여전히 남아있었다.
결국 2018년 11월 16일, 국제도량형총회(CGPM)의 제26차 회의 첫 번째 결의안에서 볼츠만 상수라는 물리 상수를 이용하여 아래와 같이 재정의하고 2019년 5월 20일부터 적용하는 것을 만장일치로 합의했다.[10]
켈빈(기호: [math(\rm K)])은 열역학적 온도의 SI 단위이다. 그 크기는 볼츠만 상수([math(k_{\rm B})])의 값을 단위 [math(\rm J\,K^{-1} = kg\,m^2s^{-2}\,K^{-1})]으로 표현할 때 정확히 [math(1.380\,649\times10^{-23})]으로 고정시킴으로써 정해진다.
한국정밀공학회지 제 35권 제4호 pp. 400
한국정밀공학회지 제 35권 제4호 pp. 400
3. 다른 단위와의 관계
차원이 [math(\sf \Theta)]인 기본 단위로, 다른 온도 체계도 이를 따른다.아래 온도 환산식에서 [math(T_{\rm X})]는 [math(\rm X)]를 단위로 하는 온도를 나타내는 물리량 기호이고, [math(\dfrac{T_{\rm X}}{\rm X})]는 각 온도 체계에서 단위를 뗀 수치를 의미한다. 뉴턴도 이하의 온도 체계에 관해서는 온도 문서 참조.
| 단위 | 환산식 | |
| [math(T_{\rm X} \to T_{\rm K})] | [math(T_{\rm K} \to T_{\rm X})] | |
| 셀시우스도 | [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = \dfrac{T_{\rm\degree\!C}}{\rm\degree\!C} + 273.15)] | [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!C}}{\rm\degree\!C} = \dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} - 273.15)] |
| 파렌하이트도 | [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = \dfrac59{\left(\dfrac{T_{\rm\degree\!F}}{\rm\degree\!F} + 459.67\right)})] | [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!F}}{\rm\degree\!F} = \dfrac95\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} - 459.67)] |
| 뉴턴도 | [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = \dfrac{100}{33}\dfrac{T_{\rm\degree\!N}}{\rm\degree\!N} + 273.15)] | [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!N}}{\rm\degree\!N} = \dfrac{33}{100}{\left(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} - 273.15\right)})] |
| 뢰머도 | [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = \dfrac{40}{21}{\left(\dfrac{T_{\rm\degree\!R\text\o}}{\rm\degree\!R\text\o} - 7.5\right)} + 273.15)] | [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!R\text\o}}{\rm\degree\!R\text\o} = \dfrac{21}{40}{\left(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} - 273.15\right)} + 7.5)] |
| 레오뮈르도 | [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = \dfrac54\dfrac{T_{\rm\degree\!R\acute e}}{\rm\degree\!R\acute e} + 273.15)] | [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!R\acute e}}{\rm\degree\!R\acute e} = \dfrac45{\left(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} - 273.15\right)})] |
| 들릴도 | [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = 373.15 - \dfrac23\dfrac{T_{\rm\degree\!D}}{\rm\degree\!D})] | [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!D}}{\rm\degree\!D} = \dfrac32{\left(373.15 - \dfrac{T_{\rm K}}{\rm K}\right)})] |
| 랭킨도 | [math(1\,{\rm\degree\!R} = \dfrac59\,{\rm K})] | [math(1\,{\rm K} = \dfrac95\,{\rm\degree\!R})] |
4. 과학에서의 사용
온도의 표준 단위이므로 온도 값을 요구하는 대부분의 계산에서는 켈빈온도를 쓴다. 상기 환산식에서 알 수 있듯이 섭씨온도의 수치에 [math(273.15)]를 더하면 켈빈온도의 수치가 된다. 물리나 화학에서 유독 [math(\rm27\,\degree\!C)]가 많이 보이는 이유는 상온 상태를 가정할 수 있으면서도 절대온도로 약 [math(\rm300\,K)]가 되어 계산이 편해지기 때문이다.고전역학에서 [math(\rm0\,K)]은 물질이 가진 에너지가 전혀 없는 상태를 뜻하기 때문에 [math(\rm0\,K)]보다 작은 온도는 있을 수 없다는 것이 맞았지만, 양자역학의 태동 이후 [math(\rm0\,K)] 그 자체도 불확정성 원리에 위배됨에 따라 자연계에서 존재할 수 없음이 밝혀졌으며, 최저점의 에너지가 [math(\rm0\,J)]이 아님이 드러났는데 바닥 상태의 이런 에너지를 영점에너지(zero point energy)라고 한다. 위치에너지가 [math(\rm0\,J)]이라 하더라도 불확정성 원리에 따라 운동에너지를 [math(\rm0\,J)]에 맞출 수 없고, 이에 따라 양자 조화 진동자는 최저점에서 [math(\dfrac12\hbar\omega)](단, [math(\hbar)]는 디랙 상수)만큼 에너지가 있다.
빛이 거의 닿지 않는 오지에 위치한 행성의 최저 온도도 [math(\rm12\,K)][11] 아래가 드물고, 심지어 항성의 빛이 미치지 못하는 공간의 온도조차 [math(\rm3\,K)][12], 즉 영하 270도 정도고 심지어 부메랑 성운과 같이 항성이 죽어가면서 사실상 빛이 닿지 않는 데다 바람까지 세게 부는, 그야말로 온도 내려갈 조건이 갖춰질 대로 갖춰진 지역조차도 [math(\rm1\,K)]이 한계다. 당연히 태양계 같이 항성의 열이 미치는 곳의 온도는 훨씬 더 높다.
다만 핵자의 스핀계처럼 통계역학적으로 준위의 수가 사실상 유한한 계(예: 극저온으로 냉각된 고체 [math(\rm LiF)] 속의 [math(\rm F)]핵)에서는 엔트로피에 '최댓값'이라는 것이 존재하기 때문에 열역학 제3법칙을 우회하여 이론상 '절대영도 미만([math(T<0\rm\,K)])일 때 입자가 거동하는 상태'를 구현할 수는 있다. [math(T = \dfrac{{\rm d}Q}{{\rm d}S})]이므로 일반적인 계는 에너지/열을 받을수록([math({\rm d}Q>0\rm\,J)]) 엔트로피가 올라가므로([math({\rm d}S>0\rm\,J/K)]) 마이너스 켈빈이 될 수 없지만, 엔트로피에 상한이 있는 고립계에선 최대한 받을 수 있는 열 또는 열용량의 한계가 있고, 이 이상으로 에너지/열을 받으면 엔트로피가 오히려 내려간다. 이후 무조건적으로 에너지를 주는 상태가 된다. '에너지를 주는 상태'란 곧 열용량이 음의 값을 취한 것과 같은 상태이므로 절대온도가 마이너스가 된 것과도 같다. 절대 영도 문서도 참조. 통계역학적인 해석으로는 엔트로피 [math(S)]가 [math(S = k_{\rm B}\ln\Omega)]로 정의되므로 꽤 예전부터 이론적으로 예견되어있던 현상이다.
2013년 1월 3일 사이언스지에 양자 기체를 이용해 절대영도보다 낮은 온도 상태를 실험적으로 구현했다는 연구가 실렸는데(운동자유도 관점의 음의 절대온도), 여기에서 해설된 것처럼, 이 '현상'을 '음의 온도'라는 직관적인 말로 표현한 것일 뿐, 수치로 측정해보면 여전히 절대영도보다는 따뜻한 온도(역온도 문서 참조)이며 우리가 아는 '마이너스 켈빈은 존재할 수 없다'는 법칙이 깨진 것은 아니다. '만약 마이너스 켈빈이 존재한다면 입자는 어떻게 거동할 것인가'라는 이론에 입각하여, 입자가 거동하는 현상으로부터 유추된 결론일 뿐이다.[13]
5. 일상에서
일상에서는 섭씨와 화씨에 밀려 거의 안 쓰인다. 일상적인 과학현상에서 정의된 것이 아니기 때문이다. 또한 실생활에서 켈빈 단위를 사용하기에는 숫자가 지나치게 커진다는 문제가 있다.특정 온도에서의 엔트로피, 에너지, 흑체복사의 정도 등을 정확하게 계산하고, 자연현상을 이해하기 위해 '자연의 기준'인 절대온도를 사용하는 과학자들과는 달리, 일반인들은 이런 계산을 할 필요가 없고, '얼마나 차가운가?' 또는 '얼마나 뜨거운가?'만이 중요할 뿐이다. 심지어 학술 문헌이라도 일반인 독자를 상정하고 쓰였다면 열역학적 온도를 [math(\rm K)] 대신 [math(\rm\degree\!C)] 단위로 표기하는 경우도 볼 수 있다. 특히 핵융합/핵폭발 시의 온도처럼 100만 단위 정도 이상의 큰 수치에서는 두 단위의 수치 차이 [math(273.15)]가 무시해도 될 수준의 오차이기 때문에 수치에 큰 변경 없이 단위만 [math(\rm K)]에서 [math(\rm\degree\!C)]로 치환한 경우도 꽤 흔하다.
예를 들어보자.
| 블라디미르는 기온이 [math(\rm-20\,\degree\!C)]인 어느 추운 겨울 날, 보일러를 작동시켜 방의 온도를 [math(\rm25\,\degree\!C)]로 조정했고, 돈까스를 튀기기 위해 기름을 [math(\rm150\,\degree\!C)]로 가열했다. |
위 문장에서 [math(\rm\degree\!C)]를 [math(\rm K)]으로 바꾸면 다음과 같이 된다. 원래는 .15도 써야 하나, 비교의 편의성을 위해 소수점 이하의 .15는 생략한다.
| 세르게이는 기온이 [math(\rm253\,K)]인 어느 추운 겨울 날, 보일러를 작동시켜 방의 온도를 [math(\rm298\,K)]으로 조정했고, 돈까스를 튀기기 위해 기름을 [math(\rm423\,K)]으로 가열했다. |
창 밖이 얼마나 추운지, 방이 얼마나 따뜻한지, 기름이 얼마나 뜨거운지 도저히 감이 안 잡힐 정도로 숫자가 지나치게 커진다.
반면 화씨로 바꾸면 다음과 같다.
| 철수는 기온이 [math(\rm-4\,\degree\!F)]인 어느 추운 겨울 날, 보일러를 작동시켜 방의 온도를 [math(\rm77\,\degree\!F)]로 조정했고, 돈까스를 튀기기 위해 기름을 [math(\rm302\,\degree\!F)]로 가열했다. |
저온으로 갈수록 켈빈 온도가 편리하게 쓰이지만, 일반인이 [math(\rm-100\,\degree\!C)] 이하의 저온 물질을 다룰 일은 거의 없다. 일상에서 접할 수 있는 가장 차가운 물질인 드라이아이스조차 [math(\rm-100\,\degree\!C)]에 못 미친다. 그나마 액체 질소가 있기는 한데, 이조차도 일반인은 취급할 일이 거의 없다. 일반인이 액체 질소를 사용한다면 극단적인 오버클럭을 하거나 분자요리를 할 때 정도가 고작이다. 차가운 물질을 주로 다루거나, 온도를 이용한 계산을 하는 게 아니라면 켈빈 온도는 일상에서 쓰일 일이 거의 없다. 일부 과학자들 등은 절대적인 온도 비교를 위해 일상의 단위도 켈빈 온도로 바꾸자고 주장하기도 하는데, 워낙 비현실적인 말이라 실현성이 없다.
디스플레이, 영상, 사진술 등지에서는 색온도의 단위로 절대온도가 쓰인다. 빈 변위 법칙(Wiensches Verschiebungsgesetz)에 기반해 광원의 색을 이 켈빈으로 표기한 것이며, 태양광이 표준으로 [math(\rm5000\,K\sim6000\,K)] 정도이다. 이보다 수치가 낮으면 색이 노랗게, 수치가 높으면 파랗게 된다.
6. 관련 문서
[1] 기체의 내부 에너지 때문에 샤를의 법칙에 입각한 부피-온도 관계보다 이렇게 에너지의 관점에서 [math(\rm0\,K)]을 논하는 것이 더 명확하다. 또한 실제 기체는 온도가 낮아지면 상전이로 인해 반드시 기체 상태를 벗어나게 되므로 에너지(준위)를 기준으로 판단하는 것이 실험상으로도 현실적이다.[2] 많은 사람들이 [math(\rm0\,K)]의 정의때문에 가장 낮은 온도가 [math(\rm0\,K)]이라고 생각하지만, 온도의 열역학적 정의에 따르면 음의 부호를 가진 절대온도도 충분히 가능하다. 단 이때 음의 절대온도는 더 차가운 것이 아니라 더 뜨거운것이다. 절대 영도 참고.[3] 즉 [math(\rm0\,K)]이란 건 이상적인 이론에 입각하여 수학적으로 계산된 극한일 뿐 자연계에서는 구현할 수 없다. 이론적으로 [math(\rm0\,K)]이 되면 내부 에너지가 [math(\rm0\,J)]이 되어 원자의 열진동마저 정지하는데 이렇게 되면 원자의 위치와 운동량을 모두 정확하게 측정할 수 있게 되고, 이는 불확정성 원리에 위배되기 때문에 구현이 불가능하다. 현실적으로도 아주 가장 낮은 에너지 상태에 있는 원자는 영점진동(zero-point motion)에 의한 극히 작은 에너지를 가진다는 것이 알려져 있다.[4] 반면 인공적으로 만들어낸 최고온도는 2012년 거대강입자 가속기에서 5.5조K 이다.[5] 섭씨와 화씨에 [math(\degree)](도)라는 기호가 붙는 이유도 여기에 있다. 각도 단위로서의 [math(\degree)] 역시 어떤 기준점(시점)과 [math(1)]회전한 종점, 두 지점의 차이의 [math(360)]등분을 [math(1\degree)]로 정의하기 때문에 [math(\degree)]라는 단위가 쓰이는 것이다.[6] 고전역학적으로 [math(\rm0\,K)]는 열이 전혀 없기 때문에 이보다 더 낮은 온도는 있을 수 없다.[7] 영어로는 General Conference on Weights and Measures이므로 GCWM이라는 약칭도 쓰이긴 한다.[8] 상기 국제도량형총회에서 결의된 사안을 대집행하는 기관으로 CGPM의 이사 기관으로 봐도 무방하다. 영어로는 International Committee for Weights and Measures이므로 ICWM이라는 약칭도 쓰인다.[9] 애초에 내륙국인 오스트리아에서 바닷물을 퍼오는 것 조차가 불가능한데다 증류를 통해 소금을 비롯한 염을 제거한 순수한 물이어서 진짜 바닷물도 아니지만, IAEA의 본부가 위치한 빈에서 열린 회의에서 결정한 것이므로 빈의 이름을 붙이고, 바다에서 퍼올렸다는 의미로 바닷물이라는 명칭이 쓰인 것일 뿐이다.[10] 대한민국의 국가표준기본법 시행령 별표의 정의 또한 같은 날짜로 해당 정의로 개정되었다.[11] 관측된 태양계 소행성 중에 가장 멀리서 발견된 세드나의 표면온도가 [math(\rm-261\,\degree\!C)]라고 알려져 있다.[12] 우주 배경 복사의 온도이기도 하다.[13] 이는 국제단위계에서 '시간'을 정의하는 방법에서도 잘 드러나는데, '절대영도의 세슘-133 원자'라고 표현하지 않고 굳이 '섭동이 없는 바닥 상태의 세슘-133 원자'라고 복잡하게 표현한다. 앞서 언급한대로 절대영도는 자연계에서 구현할 수 없으며 고전역학적으로 [math(\rm0\,J)]이라고 직관적으로 표현했을 때의 특징이, 최저점의 에너지 준위(바닥상태)에서 흑체 복사 등 외부의 영향을 받지 않는(섭동이 없는) 상태이기 때문이다.