갈릴레오 온도계의 원리

우리가 흔히 보는 알콜 온도계는 온도에 따라 알콜의 부피가 변하는 것을 이용한 것입니다. 구부에 든 알콜의 온도가 올라가면 알콜의 부피가 커져 관을 따라 알콜이 올라오므로 온도를 알 수 있는 원리입니다.

온도에 따라 부피가 변하는 현상을 이용한 온도계 중에는 갈릴레오 온도계라고 불리는 것이 있습니다. 16~17새기 물리학자인 갈릴레오의 이름을 가지고 있지만, 갈릴레오가 발명한 것은 아닙니다. 갈릴레오의 학생인 토리첼리를 포함하는 과학자 그룹(Academia del Cimento)에 의해 발명되었습니다.

이 온도계는 원통 모양의 유리 용기를 액체로 채운 것입니다. 이 액체는 물이거나, 물보다 온도에따라 부피가 더 크게 변하는 유기물입니다.

액체에는 작은 유리 공둘이 있습니다. 작은 유리 공은 기체와 액체(주로 물)로 채워져 있으여, 온도가 표시된 원반이 달려있습니다. 원반이 달린 여러 공은 질량과 밀도가 서로 다릅니다. 유리 공 안의 액체와 기체는 유리 공 안에 갇혀 있으므로, 온도가 변해도 부피 변화가 거의 없습니다. 따라서 원반을 달고 있는 유리 공들은 온도가 변해도 부피가 거의 변하지 않아 밀도의 변화도 거의 없습니다.

물체가 액체 안에서 뜰 때는 언제이고, 가라앚을 때는 언제일까요? 물체의 밀도가 액체의 밀도보다 작으면 액체 위로 뜨고, 물체의 밀도가 액체의 밀도와 같으면 수면 아래 ~ 바닥 사이 어디엔가 있게 되고, 물체의 밀도가 액체의 밀도보다 크면 바닥에 가라앉습니다.

물에 뜨는 물체의 부피와 무게

이제 기온이 올라가는 경우를 생각해봅시다. 기온이 올라가면 온도계 안의 액체가 공기로부터 열을 얻어 온도가 올라갑니다. 온도가 올라가면 액체의 밀도가 작아집니다. 그 결과 액체보다 밀도가 커진 유리 공들은 아래로 가라앉기 시작합니다,

반대로, 기온이 내려가면 온도계 안의 액체의 온도도 내려갑니다. 그 결과 액체의 밀도가 커지면, 액체보다 밀도가 작아진 유리 공들은 위로 뜨기 시작합니다,

다음 동영상은 가열 기구로 온도계를 가열하였을 때 공들이 아래로 가라앉는 것을 보여줍니다.(추의 온도는 화씨 온도를 가리킵니다.)

(* 비디오 출처: Galileo thermometer demonstration)

갈릴레오 온도계는 아주 정확한 온도계라기 보다 대략적인 온도를 알려주는 온도계입니다. 따라서 이 기구를 사용하여 온도를 읽는 방법이 몇 가지 있을 수 있습니다. 하지만 그 방법들이 읽어내는 온도 사이에 차이기 크지 않으므로, 여기서는 그 중 한 가지 방법만 소개합니다.

만약 원통 중간에 공이 떠있다면, 기온은 그 공이 나타내는 온도와 대략 같습니다

만약 중간에는 공이 없고, 몇몇 공은 수면 쪽에, 몇몇 공은 바닥 쪽에 모여 있다면, 윗쪽 공 중 가장 아래 공과 아랫쪽 공 중 가장 위 공의 평균이 기온과 대략 같습니다.

만약 모든 공들이 바닥 쪽에 모여있다면, 공들 중 가장 높은 온도보다 기온이 높은 것입니다. 만약 모든 공들이 수면 쪽에 모여있다면, 공들 중 가장 낮은 온도보다 기온이 낮은 것입니다.