물의 고체.액체.기체 공존상태 삼중점 일때 273.16K로 표시

11.온도의 단위, 켈빈

온도를 재기 위해서는 기준이 필요하다. 그 기준은 자연에 존재하는 고정점이다. 가령 섭씨(℃)의 경우 물이 끓는 온도를 100 도, 얼음이 녹는 온도를 0 도라고 한다.

한편 섭씨온도보다 20년 먼저 탄생한 화씨(℉)온도의 경우 처음엔 3개의 고정점을 썼다. 얼음과 물, 암모늄 클로라이드가 혼합돼 있는 온도를 0 도, 물과 얼음이 섞여 있는 물에서 물이 어는 온도를 32 도, 그리고 우리 인간의 체온을 96 도로 정했다. 그렇다면 국제단위계에서 온도의 기본단위인 ‘켈빈(K)‘은 어떨까?

1954년 국제도량형총회에서 정한 켈빈의 정의는 이렇다. “켈빈은 물의 삼중점이라는 열역학적 온도의 1/273.16이다.” 즉 켈빈 온도의 정의에는 삼중점이라는 하나의 고정점을 쓴다. 삼중점이란 물이 고체, 액체, 기체의 세 상태로 함께 존재하는 경우다. 순수한 물이 고체, 액체, 기체 상태로 공존할 때, 즉 삼중점일 때를 ‘273.16 K’으로 정한 것이다.

물의 삼중점을 기준으로 삼은 이유로는 여러 가지가 있다. 국제온도 눈금에서 온도표준의 실현에 사용되는 고정점을 17가지가 있다. 금, 은, 구리와 같은 고체에서부터 아르곤, 산소, 수소와 같은 기체까지 사용된다. 이들 가운데 물의 삼중점은 가장 안정적인 기준점이다.

또 물의 삼중점 상태는 한 번 만들어 놓은 후 잘 보관하면 수개월 동안 사용할 수 있고, 외부 환경의 영향을 적게 받는다. 게다가 물은 구하기도 쉽다. 하지만 물의 삼중점 상태를 만드는 일은 그리 간단하지 않다. 삼중점을 만드는 장치는 ‘삼중점 셀’이라는 유리관이다. 이 안에는 공기가 전혀 들어가지 않고 얼음, 물, 수증기와 같은 순수한 물만 존재한다. 그래서 유리관 자체부터 매우 깨끗해야 할 뿐 아니라 그 안에 순수한 물만 채우기 위해 복잡한 과정을 거쳐야 한다.