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국제단위계(SI)에서 온도의 기본 단위인 켈빈(K)은 열역학적 온도를 나타내며, 절대 영도(0K)에서 시작하는 척도입니다. 과거 물의 삼중점을 기준으로 정의되었으나, 2019년부터 볼츠만 상수를 활용한 방식으로 변경되었습니다. 이 글에서는 켈빈의 개념, 역사적 변화, 측정 방식 등을 자세히 알아보겠습니다
SI 기본 단위 및 관련 자료
| 미터 (m) | 칸델라 (cd) | 캘빈 (K) |
| 암페어 (A) | 킬로그램 (kg) | 암페어 (A) |
| 킬로그램 (kg) |
1. 국제단위계 SI 기본 단위 역사
아래는 7개의 SI 기본 단위가 확립되기까지의 주요 역사를 연도별로 정리한 내용입니다.
1) 켈빈 (kelvin, K)
- 1848년: 윌리엄 톰슨(켈빈 경)이 절대 온도 개념을 제시하며 켈빈 온도 단위의 기초를 마련하였습니다.
- 1954년: 삼중점에서 물의 온도를 273.16K로 정의하면서 켈빈이 공식 단위로 채택되었습니다.
- 2019년: 볼츠만 상수의 고정된 값을 사용하여 켈빈이 재정의되었습니다.
2) 킬로그램 (kilogram, kg)
- 1795년: 1리터의 물의 질량으로 킬로그램이 처음 정의되었습니다.
- 1889년: 백금-이리듐 합금으로 만든 국제 킬로그램 원기를 기준으로 킬로그램이 재정의되었습니다.
- 2019년: 플랑크 상수의 고정된 값을 사용하여 킬로그램을 재정의하였습니다. 이를 통해 원기의 물리적 의존에서 벗어난 정의가 확립되었습니다.
3) 미터 (meter, m)
- 1793년: 프랑스에서 지구 적도에서 극까지 거리의 1/10,000,000에 해당하는 길이로 미터가 처음 정의되었습니다.
- 1889년: 백금-이리듐 합금 막대의 길이를 미터로 정의한 국제 미터원기가 도입되었습니다.
- 1960년: 크립톤-86 원자가 방출하는 특정 빛의 파장을 기준으로 미터가 다시 정의되었습니다.
- 1983년: 진공에서 빛이 1/299,792,458초 동안 이동하는 거리를 기준으로 미터가 정의되었습니다.
4) 암페어 (ampere, A)
- 1820년: 안드레 마리 암페르가 전류에 대한 법칙을 처음으로 제안하였습니다.
- 1948년: 국제단위계(SI)에 따라 1암페어는 "진공 상태에서 1m 간격으로 놓인 두 평행 도체에 2 × 10⁻⁷ N의 힘을 발생시키는 전류"로 정의되었습니다.
- 2019년: 기본 전하(전자 1개당 전하)의 고정된 수치를 기준으로 암페어가 재정의되었습니다.
5) 초 (second, s)
- 17세기: 1초는 처음으로 태양이 자오선을 통과하는 두 순간 사이의 시간(평균 태양일)을 86,400분의 1로 정의되었습니다.
- 1960년: 세슘 원자의 진동수를 기준으로 하는 정의가 논의되기 시작했습니다.
- 1967년: 현재의 정의인 "세슘-133 원자의 9,192,631,770회의 진동을 기준으로 1초를 정의"하는 방식이 국제적으로 채택되었습니다.
6) 몰 (mole, mol)
- 1865년: 독일의 화학자 아우구스트 카쿨레가 몰 개념을 처음으로 제안하였습니다.
- 1971년: 몰이 국제단위계에 공식적으로 포함되었으며, 1몰은 아보가드로 수(6.02214076 × 10²³)의 입자로 정의되었습니다.
- 2019년: 아보가드로 상수의 고정된 값을 사용하여 몰이 재정의되었습니다.
7) 칸델라 (candela, cd)
- 1909년: 국제 협약에 따라 촛불의 광도를 기준으로 한 단위로 칸델라가 도입되었습니다.
- 1948년: 칸델라는 "백금에서 방출되는 특정한 주파수의 빛"을 기준으로 정의되었습니다.
- 1979년: 현재의 정의인 "주파수 540 × 10¹² Hz에서 방출되는 빛의 광속 효율을 기준으로 1칸델라"로 재정의되었습니다.
2. 켈빈 (K) - 열역학적 온도 개념
켈빈은 볼츠만 상수(k)의 고정된 수치 값인 1.380 649 × 10-23 J·K-1로 정의되며, 이는 열역학적 온도의 단위입니다. 켈빈은 절대 영도(0 K)에서 시작하며, 섭씨온도와 밀접한 관계가 있습니다. 0 K는 -273.15°C에 해당합니다.
3. 켈빈의 역사적 정의 변화
- 19세기: 영국의 과학자 윌리엄 톰슨(후에 켈빈 경)은 절대 온도의 개념을 제안하였고, 이 절대 온도를 기준으로 켈빈 척도가 정의되었습니다.
- 1954년: 켈빈은 물의 삼중점(액체, 고체, 기체 상태가 공존하는 온도)에서 1/273.16로 정의되었습니다.
- 2019년: 켈빈은 더 이상 물의 삼중점에 기반하지 않고, 볼츠만 상수를 이용한 정의로 변경되었습니다. 이는 온도가 에너지의 양과 직접적으로 연결된다는 것을 의미합니다.
https://www.bipm.org/en/si-base-units/kelvin 이 정의는 정확한 관계 k = 1.380 649 x 10^(–23) kg m^2 s^(–2) K^(–1)을 의미합니다. 이 관계를 역으로 하면 정의 상수 k , h 및 Δν Cs 에 따라 켈빈에 대한 정확한 표현이 제공됩니다.  이는 수치를 대입하여 정리하면 다음과 같습니다.  |
4. 켈빈 측정 장비
- 플래티넘 저항 온도계(Platinum Resistance Thermometer, PRT): 켈빈 온도를 측정하는 가장 일반적인 장비로, 저항 변화와 온도의 관계를 이용하여 정확한 측정을 수행합니다.
- 고정점 장치(Fixed Point Cells): 고정된 온도를 제공하여 온도계를 교정하거나 실험에 사용됩니다. 물의 삼중점, 갈륨 녹는점 등이 그 예입니다. 물의 삼중점은 물이 세 가지 상태(액체, 고체, 기체)로 동시에 존재하는 특별한 온도와 압력 조건을 말합니다. 삼중점 셀은 이를 실현하기 위한 실험 장치로, 공기가 제거된 고순도 물을 유리 용기에 담아 이 조건을 유지합니다. 물의 삼중점에서, 물은 0.01°C(섭씨) 또는 273.16K(켈빈)의 일정한 온도를 유지하며, 이는 온도 측정의 표준 기준점으로 사용됩니다.삼중점은 물이 얼음, 물, 수증기 형태로 동시에 공존하는 특이한 온도를 말해요. 우리가 온도를 정확하게 측정하기 위해 이 삼중점 상태를 인위적으로 만들 수 있어요. 이 상태의 온도가 0.01°C(또는 273.16K)로 매우 정확하고, 전 세계에서 온도를 측정하는 기준으로 쓰인답니다. 물의 삼중점 셀은 그 삼중점을 만들기 위해 공기 없이 순수한 물을 특별한 용기에 넣고 얼음을 만들어요. 얼음이 생기면 물, 얼음, 수증기가 동시에 존재하게 되면서 정확한 온도를 측정할 수 있는 상태가 돼요. 이 삼중점은 국제적으로 온도를 측정하는 데 중요한 기준이 됩니다.
- 레이저 냉각 기법(Laser Cooling): 매우 낮은 온도를 측정하거나 만들어내는 기법으로, 물질의 운동을 억제하여 절대 영도에 가까운 상태를 만들 수 있습니다.
※ 표준 장비: 온도표준기
사이트: https://www.kriss.re.kr/menu.es?mid=a10301030000
음향기체온도계를 이용하여 켈빈에 정의에 따른 열역학 온도를 구현합니다.
5. 마무리
켈빈(K)은 온도의 절대적 기준을 제공하는 단위로, 과학 연구와 산업에서 필수적인 역할을 합니다. 볼츠만 상수를 기반으로 한 현대적인 정의 덕분에 더욱 정밀한 온도 측정이 가능해졌으며, 이는 물리학, 화학, 기후 연구 등 다양한 분야에서 활용됩니다.