온도

온도(temperature)(溫度)란 뜨거운 정도, 혹은 차가운 정도를 숫자로 나타낸 것을 말한다.

전세계적으로 자주 쓰이는 온도의 단위로는 셀시우스도($\rm\degree\!C$, 섭씨(攝氏)온도), 파렌하이트도($\rm\degree\!F$, 화씨(華氏)온도), 그리고 켈빈($\rm K$)[1]이 있다. 켈빈을 제외한 모든 단위 표기에서 $\degree$는 '간격'을 의미하며, 기준이 되는 두 측정값을 $n$등분한 것이 단위 수치 $1$임을 의미한다. 요컨대 각도의 $1\degree$가 시초선을 기준으로 한 $1$회전(또는 $n+1$회전과 $n$회전의 차)의 $360$등분인 것처럼, $\degree$가 붙은 단위들은 정의에 기준이 되는 두 기준점이 따로 존재한다(후술). 이에 반해 켈빈은 열역학적으로 물질의 종류를 막론하고 그 물질이 가진 에너지가 $\rm0\,J$이 되는 절대적인 기준점(절대영도)을 바탕으로 짜여진 온도 체계이기 때문에 $\degree$ 기호가 붙지 않는다.[2]
$\rm\degree\!C$와 $\rm\degree\!F$는 서양에서 단위를 가리키는 명칭이 하나밖에 없기 때문에 표기를 그대로 읽는 것과는 달리, 한자 문화권에서는 별도의 한자 명칭이 주로 쓰이고 눈금 체계를 먼저 읽는다는 특징이 있다. 이를테면 $25\,\rm\degree\!C$, $77\,\rm\degree\!F$를 각각 서양에서 '25도 셀시우스(25 degree celsius)', '77도 파렌하이트(77 degree fahrenheit)'라고 읽는 반면 동양에서는 '섭씨($\rm C$) 25도', '화씨($\rm F$) 77도'로 읽는다.[3]
심지어 문맥상 온도를 뜻한다는 것이 명확하고 어떤 온도 체계를 쓰는지 굳이 얘기하지 않아도 된다면 동서양을 막론하고 눈금 체계를 생략하고 단지 '~도(~degree)'만 읽기도 한다. 특히 화씨는 세계적으로 영향력이 막강한 미국에서 쓰는 단위인지라 섭씨나 화씨를 생략해서 소통에 애로사항이 꽃피는 경우가 종종 있다. 학습 만화에서도 소재로 다뤄질 정도.

요컨대 외국인은 '(화씨) 90도'를 의도한 건데 조선인은 '(섭씨) 90도'로 오해한 것이다. 화씨온도 체계는 물의 어는점이 $\rm32\,\degree\!F$, 끓는점이 $\rm212\,\degree\!F$로 섭씨온도 체계에 비해 수치도 크고 간격도 크기 때문에 특히 기온을 얘기할 때 뭔가 감각적으로 이상하다 싶으면 십중팔구 단위가 문제인 것이다. 참고로 $\rm90\,\degree\!F \fallingdotseq 32.2\,\degree\!C$이고, $\rm90\,\degree\!C = 194\,\degree\!F$이다.

이 밖에도 오늘날엔 사실상 쓰이지 않는 단위들이 있는데 낮은 인지도를 반영하듯 이들은 단위 특수 문자도 할당이 안 돼있다. 만들어진 시기의 순서대로 나열하면

이 밖에도 네덜란드의 라이덴에 위치한 저온 연구소에서 독자적으로 썼었다고 알려진 라이덴(Leiden)도도 있으나, 공식적으로 쓰인 단위는 아닌 듯 자료가 거의 남아있지 않다.[10] 참고로 셀시우스도, 파렌하이트도, 켈빈은 각각 1742년, 1724년, 1848년에 최초로 고안되었다.

아래 온도 환산식에서 $T_{\rm X}$는 $\rm X$를 단위로 하는 온도를 나타내는 물리량 기호이고, $\dfrac{T_{\rm X}}{\rm X}$는 각 온도 체계에서 단위를 뗀 수치를 의미한다.[11] 폐기된 웨지우드도, 진위가 불분명한 라이덴도는 표에서 제외하였다.

좀 더 파고들어가면 열역학을 만날 수 있다. 여기서는 물리학 영역이 되며 운동 에너지나 엔트로피까지 엮인다. 엔트로피 자체가 물질계의 열적 상태를 나타내는 말이라. 이 열역학에서 말하는 온도의 정의는 분자의 운동 에너지의 평균을 통계로 나타내 수량화한 것이다. 좀 더 자세히 말해보자면 열 평형 상태의 분자의 운동 에너지를 엔트로피 통계치로 미분하여 얻어낼 수 있는 값이다. 근데 또 자연계에서 열 평형 상태라는게 쉽게 일어날 수 있는 현상이 아니라서 또 이대로라면 정확한 온도를 측정할 수 없다.

기체의 분자 운동론에 의하면 절대 온도는 곧 기체 분자의 운동 에너지가 된다. 반면 열은 그 '에너지'[12]를 '다른 물체한테' 얼마나 잘 전해줄 수 있는지로 정의되기에, 이에 따르면 온도는 높은데 뜨겁지 않은 것이 가능하다.[13][14] 즉 온도가 높다고 반드시 뜨거운 것은 아니다. 단순히 건식 사우나를 생각해보면 알 수 있다. 건식 사우나는 온도가 80℃ 이상 올라가기도 하지만 공기의 열 전도율과 열 용량이 매우 낮아 온도에 비해 뜨겁지 않다.

분자의 운동 에너지의 정도가 온도를 결정하므로, 온도에는 하한선이 있는데, 이 분자 운동이 멈추는 상태를 절대영도라고 한다. 섭씨 온도로 나타내면 -273.15℃. 절대영도가 혹 가능하다면 영구기관도 가능하다고 하지만 이 경우 불확정성 원리에도 위배된다고. 또 불확정성 원리에 의하면 절대영도라도 분자의 운동이 아예 멈추는 건 아니라고 한다.[15]

또한, 절대영도의 반대 개념 비슷한 것으로 플랑크 온도라는 것이 존재한다. 양자역학 상 이론적 온도의 최댓값으로, 현대 과학에서 이 이상의 온도를 다루는 것은 무의미하며, 모든 물질이 원자 이하의 단위로 나누어져 에너지가 되는 온도이다. 약 1.4×10³²켈빈[16]으로, 빅뱅 우주론에서 빅뱅 이후 플랑크 시간까지의 온도에 해당한다고.[17]

가끔 온도와 열을 같은 용어로 생각하는 사람들이 있는데 둘은 다르다. 온도는 측정 단위이며 열은 측정 대상이다. 열을 수치화한 것이 온도인 것.[18] 물론 일반적으로 쓰이는 '열'과 '온도'의 차이는 그렇고 좀 더 깊이 들어가면 온도는 한 열역학적계 내부의 분자 활동의 정도를 수치화한 것이며(이 분자 활동이 멈추는 온도가 바로 절대영도다.) 열은 에너지가 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하는 현상이다.

측정학(metrology)에서 온도의 차원 기호는 $\sf\Theta$[19]이다.

온도를 측정하는 도구로 온도계가 있다.

날씨를 말할 때 체감 온도란 말을 쓰는데 온도, 풍속, 일사량 등에 따라 인체가 느끼는 더위와 추위를 수량으로 나타낸 것을 말한다. 우리나라 기상청에서는 2001년 8월 캐나다 토론토에서 열린 Joint Action Group for Temperature Indices(JAG/TI) 회의에서 발표된 체감온도식을 사용하고 있다. 그 식은 원래 온도가 섭씨 Ta도일 때, 풍속이 시속 Vkm일 때 다음과 같다.
$T_{wc} = 13.12 + 0.6215 T_a - 11.37 V^{0.16} + 0.3965 T_a V^{0.16}$

일부 게임에서는 이 요소가 등장한다.