1월호에 이어 이번 호에서는 우리 생활 주변에서 자주 쓰는 역학과 열에 대한 용어를 알기 쉽게 기술하고자 한다.
역학
1. 질량
⑴ 킬로그램(kilogramme) : ㎏ - 법정계량단위/기본단위
「국제킬로그램원기(原器 - 국제표준원기)의 질량」
킬로그램원기는 미터협약에 의해 1 킬로그램의 표준분동으로 만든 것으로 당시에 많이 만들어졌다. 이 중에서 가장 먼저 만들어진 원기, 즉 고문서 보존소의 원기 'Kilogramme des Archives'와 일치한 K Ⅲ라는 것이 국제킬로그램원기로 됐다. 구조는 백금 90 %, 이리듐 10 % 합금의 원통형의 분동으로 직경과 높이는 같은 크기인 39 ㎜이다. 우리나라에서는 국제킬로그램원기와 같은 규격으로 국가킬로그램원기 No. 72를 주원기로, 그리고 No. 39와 No. 84를 부원기로 정해 질량의 국가표준을 유지하고 있으며, 현재 대덕연구단지에 위치한 한국표준과학연구원에서 관리하고 있다. 킬로그램은 기본단위 중에서 1 000을 의미하는 접두어가 붙어 있는 유일한 단위이다. 또한 킬로그램에는 접두어를 붙이지 않고 그램에 붙이기로 약속됐다.
⑵ 톤(tonne) : t - 법정계량단위/보조단위 톤이라는 명칭은 야드파운드법에서도 2종류의 단위로 사용되고, 체적의 단위에도 있기 때문에 특히 기호에 주의를 요한다. 또한 이 톤에도 접두어를 붙이지 않고 필요한 경우 그램에 붙이도록 되어 있다. 프랑스에서는 톤을 법정단위의 기준단위로 하고 있으나, 1964년 SI식으로 개정했다.
⑶ 관(貫) - 비법정계량단위 척관법의 질량단위로 일본에서는 관이, 중국에서는 근(斤)이 기본단위이다. 중국 당나라 시대에 만들어진 개운통보전(開運通寶錢)은 직경 8분, 질량 2수(銖) 4루(걽)(약 3.75 g)로 만들어졌고 규격을 갖춰 후대 돈의 기준이 됐다. 이것이 1전(錢)(1 文)이라는 질량단위에 사용됐고 나중에 1돈이 됐다. 또한 이것을 끈으로 1 000장을 엮은 것의 질량이 관이 된 것이다.
⑷ 돈 - 비법정계량단위 돈은 일본의 진주양식업자들이 진주거래용으로 사용하던 단위로, 일본에서는 현재 사용하지 않는다. 그러나 우리나라는 일제의 잔재가 남아 아직도 금, 은 등 귀금속 거래에서 관습적으로 사용하고 있어 g(그램) 단위의 정수거래가 필요하다. 정부에서는 귀금속 거래의 공정성 확립을 위해 1964년 1월 4일부터는 사용을 금지했다.
⑸ 파운드(pound) : Ib - 비법정계량단위 파운드는 야드파운드법의 기본단위다. 7 000 그레인(gr)이며, 5 760 gr의 '트로이파운드'(금, 은 용도를 '금형'이라고 한다)가 있어 이것과 구별할 필요가 있을 때에는 '상용 파운드(Avoirdupois)'로 부른다. 현재 이 값은 1959년 앵글로 색슨계 국가들 사이의 협정에 의해 정의가 통일된 것이다. 그때까지는 영국표준 파운드가 0.453 592 338 kg, 미국 파운드는 0.453 592 427 7 ㎏이었다. 파운드의 기호 lb는 파운드에 해당하는 단위의 옛이름 libra에서 온 것이다.
⑹ 온스(ounce) : oz - 비법정계량단위 온스에는 금형단위계(Troy System)와 상형단위계(Avoirdupois System)가 있으며 보통 후자를 지칭한다. 트로이 온스는 약량(藥量) 온스라고도 하며, 480 gr, 31.103 5 g이다. 지금도 국제적으로 귀금속용에 사용되고 있다. 영국에서는 1879년에 트로이 파운드가 폐지되어 사용 파운드 하나로 통일됐으나, 미국에서는 트로이 온스가 공식 인정됐고, 국제 간에도 금의 거래에 관습적으로 널리 사용되고 있다. 온스의 명칭은 1/12를 의미하는 그리스어 unica에서 유래한 것으로, 로마의 1리브라의 1/12을 운시어라 하였다.
2. 비중 비중은 물질의 질량과, 그 물질과 동일한 체적을 가지고 있다. 또한 압력 1.013 250 bar 하에서 순수한 물의 질량과의 비로서 무명수(無名겤)로 나타낸다. 앞 항의 물의 온도는 온도를 지정할 때의 지정 온도이며, 온도를 지정하지 않을 때에는 4도로 한다.
⑴ 4도비중 KS에서「4도 비중은 물질의 질량과, 그 물질과 동일 체적에서 압력이 101 325 Pa일 때 온도가 4℃인 물의 질량과의 비」이며, t도 비중은「물질의 질량과, 그 물질과 동일 체적에서 압력이 101 325 Pa일 때 온도가 t ℃인 물의 질량과의 비」이다.
⑵ 우유도(牛乳度) - 법정계량단위/특수단위 '계량에 관한 법률'에서「우유의 비중을 표시하는 값에서 1을 빼고 1 000을 곱한 값으로 한다」로 정의한다. 우유의 비중은 1.026 ~ 1.034이다. 물을 섞으면 그 비중은 감소를 한다. 이것을 관리하기 위한 부표에 부여하는 눈금으로서 편의적으로 정한 것이다.
3. 힘
⑴ 뉴턴(newton) : N - 법정계량단위/유도단위
우리나라에서는 2001년 7월 1일부터 힘의 단위㎏f를 폐지하고 뉴턴(N)으로 사용했다. 힘의 실용적인 절대단위로서 1900년 메가다인(Mdyn)이 제안됐지만, 4년 후 그 1/10이 Sir Isaac Newton(1642~1727)에서 유래하여 뉴턴이라고 이름을 붙였다. 뉴턴은 1935년경까지는 거의 사용되지 않다가 1948년 제9차 국제도량형총회에서 암페어의 정의에 정식으로 등장했다. 이에 앞서 1938년에는 국제전기기술위원회(IEC)에서 인정받았다. 이렇게 뉴턴이 실제 힘의 단위로서 종래사용하던 것보다 조금 작음에도 불구하고 SI단위로 된 데에는 이러한 이유가 있었다.
[그림 1] 힘의 변화도
⑵ 다인(dyne) : dyn - 비법정계량단위
CGS단위계의 힘의 단위로 1 g의 질량에 1 ㎝/s²의 가속도를 부여하는 힘이다. 1873년 영국에서 공인을 받았다. 다인은 '누른다'라는 의미의 그리스어에서 유래됐다. 메가다인(106 dyn)은 1중량킬로그램(㎏f)에 가깝고 실용성이 있어서 1900년에는 large dyne의 이름으로 힘의 단위로서 제안된 적이 있다. 또한 일본에서도 1920년 도량형법에 계량단위로서 힘, 압력, 일, 공률, 밀도 및 온도의 단위를 추가했을 때 힘의 단위에는 이 메가다인을 채택하고 도량형법 시행령에서 다음과 같이 규정됐다.
일본에서도 이미 이 때 힘에 절대단위를 채택해 중량킬로그램과 병용했고 이것을 0.98메가다인이라고 정한 것이다. 이것이 1951년 계량법이 제정됐을 때 뉴턴으로 수정됐고 중량킬로그램(kgf)은 이것과 나란히 하는 단위가 됐다가, 중량킬로그램(kgf)은 1999년 9월 30일 사용 유예기간이 만료되어 폐지되고 뉴턴(N)을 사용하게 됐다. 또한 다인(dyn)도 1995년 9월 30일부로 한시적 사용기간이 만료되어 뉴턴(N)으로 표기를 대신하고 다인은 사용할 수 없는 단위가 됐다.
⑶ 중량킬로그램 : ㎏f - 비법정계량단위
정의에 사용되는 9.806 65 m/s²을 '표준중력의 가속도'라 하며, 1901년 제3회 국제도량형총회에서 질량과 중량의 구별을 명확히 함과 더불어 중량킬로그램을 정의 내리기 위해 채택된 것이다. 이 값은 파리의 국제도량형국이 위치한 곳에서의 실측치에서 위도 45도의 해면상의 값을 산출한 것이다. 실제로는 이 값대로는 나오지 않고 아주 작은 차이는 있지만 지금은 정의값으로 되어있다. 우리나라는 2001년 7월 1일부터 힘의 단위로 ㎏f를 폐지하고 국제 단위계인 뉴턴(N)을 사용하게 됐다.
4. 일, 에너지
⑴ 줄(joule) : J - 법정계량단위/유도단위
MKS 및 실제의 일, 열량의 단위, 또는 전기에너지의 단위로서 초당 1 W 소비되는 전기에너지(전력량)를 나타내는 단위이기도 하다. 이 단위는 1888년 영국에서 제안됐고 J. P.Joule(1818~1889)에서 유래됐다. 1889년 IEC에서 승인을 받아 1948년 제9차 국제도량형총회에서 열량의 단위로서 승인을 받았다. 줄과 칼로리의 관계는 일반적으로 15 ℃에서 물의 비열을 4.185 5 J(g ㆍ ℃)이 되도록 열량의 단위로 채택됐다.
⑵ 전자볼트 : eV - 법정계량단위/특수단위
이온, 소립자 등의 에너지를 나타내는 단위로 최근에는 메가(106) 전자볼트에 대해 MeV, 기가(109) 전자볼트에 대해 GeV로 나타내는 경향이 있다. 미국에서는 109 전자볼트에 대해 BeV로 나타내는 경향이 있지만, 국제순수 및 응용물리학연합(IUPAP)은 1948년 GeV 또는 109 eV를 채택했다.
5. 공률, 일률
⑴ 와트(watt) : W - 법정계량단위/유도단위
1882년 C. W. Siemens의 제안에 의해, 이름은 James Watt(1736~1819)에서 유래된다. 1908년 국제옴과 국제암페어가 정의됐지만, 1948년 이것이 절대단위로 다시 정의됐을 때 함께 변경됐다.
⑵ 프랑스 마력 : PS - 비법정계량단위
1 PS = 0.986 HP이다. 기호 PS는 독일어 Pferde-Starke(말의 힘)에서 딴 것이다. 일본에서는 내연기관 등의 계량에 사용할 수 있다고 규정되어 있으나, 우리나라는 비법정계량단위로 규정하고 있다.
⑶ 영국 마력 : hp, HP - 비법정계량단위
기호 hp는 horse power의 첫머리 글자이다. 일본은 1959년 1월 이후 공식적으로 사용이 금지됐고, 우리나라도 채택을 하지 않았다. 측정 측면에서는 프랑스 마력도 영국 마력도 같다고 봐도 지장이 없다. 마력은 James Watt(1736~1819)가 자신의 수증기관을 판매하기 위해 1782년에 만든 단위이다. 그는 평균적인 말은 180파운드의 견인력을 낸다고 가정, 이와 같은 말을 캡스턴(닻 등을 말아 올리는 기계)에 연결하면 직경 24 ft의 원에 따라 1분간에 2회 반 회전하고, 이것은 일률로 32400 lbㆍft/min가 된다. 와트는 이것을 33 000 lbㆍft/min으로 했다. 이것은 1809년에 공식적으로 발표됐고 영국에서의 정의는 33 000 lbㆍft/min으로 745.700 W에 해당한다. 이것에 대해 미터마력은 75 ㎏을 1초간에 1 m 올리는 공률로 정의되므로, 여기에서 두 개의 마력이 생긴 것이다. 다만 자동차 엔진의 성능에는 여러 가지 산출방식의 마력이 사용된다. 브레이크 마력은 일에 사용되는 출력공률로, 도시(圖示)마력이나 공칭(公稱)마력은 엔진의 치수에서 산출된 것이다.
6. 입도
⑴ 밀리미터 : ㎜ - 법정계량단위/특수단위 입자의 입도를 측정하는 특수단위는 밀리미터로 하고, 입도의 정의는「입체 또는 분체가 통과할 수 있는 최소의 표준체의 정사각형 또는 원형체 눈의 한 변의 길이 또는 지름을 밀리미터로 표시한 수치로 나타낸 것」이다. 즉, 입도는 입체나 분체의 실제 지름이 아니라 그 분입체(粉굦體)가 겨우 통과할 수 있는 체의 눈의 직경을 나타내는 것이다.
열
1. 열역학적 온도
⑴ 캘빈(kelvin) : K - 법정계량단위/기본단위
열역학적 온도라는 것은 간단하게 말하면 다음과 같다. 열역학적 법칙에 '두 개의 열원 사이에 열량의 교환이 있고 그 두 개의 열량의 차를 일로 바꾸는 장치(열기관)의 효율은 두 개의 열원의 온도만으로 정한다'라는 것이 있다. 그러므로 두 개의 온도를 약속할 수 있으면 온도눈금은 하나로 정해진다. 이것이 열역학적 온도눈금이다. 또한 국제온도눈금(ITS : International Practical Temperature Scale)은 저온에서 고온에 이르는 각 점의 온도를 실현해 보충하는 방법을 정하고 있다.
⑵ 국제온도눈금(ITS) 흔히 우리 실생활에서 볼 수 있는 온도계는 유리관에 수은이나 유기 액체 등을 넣고 봉한 이른바 유리온도계이다. 그러나 이런 종류의 온도계는 유리가 녹거나 내장된 액체가 끓는 높은 온도 또는 응고하는 낮은 온도에서는 쓸모가 없기 때문에 사용할 수 있는 온도범위는 상당히 제한된다. 0 켈빈에 가까운 극저온이나 수천도라는 초고온은 어떤 방법으로 측정을 할까? 실용상 너무 어렵지 않고 높은 수준의 정확도로 광범위한 온도를 측정하기 위한 매뉴얼이 1927년 제7차 국제도량형총회에서 채택되어 처음에 국제온도눈금 27(약칭 ITS-27)이라는 이름이 붙여졌다. 그 이후 온도 측정기술의 향상으로 세 차례의 개정을 거쳐 지금은 1990년에 정해진 국제온도눈금(약칭 ITS-90)에 준해 온도를 측정하도록 되어 있다.
2. 섭씨도 또는 도
⑴섭씨도또는도: ℃- 법정계량단위/유도단위
섭씨도는 켈빈과 병용하는 온도분야의 SI단위이다. 그러나 국제단위계(SI단위)의 1량(量) 1단위(單位)원칙에 벗어나기 때문에 ISO에서는 이것을 '섭씨온도'라는 양의 단위로 하고 있다. 정의에서도 알 수 있듯이 눈금간격은 켈빈과 동일하다. 그래서 정의는「도로 나타낸 온도의 수치는 캘빈으로 나타낸 온도의 수치에서 273.15를 줄인 것」으로 되어 있다. 이 눈금은 Anders Celsius(1701~1744)가 발명했다고 하지만, 실은 그가 제안한 눈금은 물이 끓는 점을 0도, 얼음의 융점을 100도로 한 것이다. 1743년 J.P. Christen(1683~1755)이 반대로 한 것이라고 한다. 영국에서는 센티그레이드(centigrade)눈금이라고 불렀다.
⑵ 화씨도 : ℉ - 비법정계량단위
야드파운드법의 온도단위로 화씨도의 정의는 「도로 나타낸 온도 수치의 1.8배에 32를 더한 것」이다. 이 눈금은 1710~1714년 사이에 G.D. Fahrenheit(1686~1736)가 만든 것으로, 정해진 3개의 온도점, 즉 얼음과 소금의 혼합물의 온도, 물의 응고점 및 인간의 평열을 각각 0도, 32도 및 96도로 한 것이다. 화씨도는 파렌하이트에서 취한 한자인 '화(華)'(fa 발음)에서 나온 것이다.
3. 열, 열량
⑴ 줄(joule) : J - 법정계량단위/유도단위 일의 경우 줄을「1 N의 힘이 그 힘의 방향으로 물체를 1 m 움직일 때에 하는 일을 말함」으로 하고, 열량의 줄은「1줄의 일에 해당하는 열량을 말함」으로 정의를 내리고 있다. 국제도량형위원회는 에너지도, 일도, 열량도 일괄해 줄로 하고 있다. SI단위가 좋은 점은 이러한 단위의 통일을 통해 지금까지 다른 양처럼 취급되어 온 몇 가지 양의 물리적 의미를 알기 쉽게 한 것이다. 그 기초가 되는 것이 독일 물리학자 헬름홀츠에 의해 1847년 체계화된 에너지 보존법칙으로서, 일을 열량으로 바꾸는 실험을 한 사람이 줄로 1843년의 일이다. 단위의 이름은 이것에서 유래됐다.
[그림 2] 물과 수증기, 얼음의 3중점의 개략도
⑵칼로리(calorie) : ㎈- 법정계량단위/특수단위 온도에 의해 달라지는 칼로리도 온도를 지정하지 않고 사용할 수 있는 값이 약속 가능하다면 편리하므로 1948년 국제도량형총회에서 1 ㎈ = 1/860 ㎾h로 제안했다. 그러나 채택되지 않았기 때문에 인체의 영양 또는 대사작용 등에 사용하는 것으로 제한하고 있다. 왜냐하면 열량의 단위는 줄(J)을 사용토록 국제단위계(SI단위)에서 정하고 있기 때문이다.
⑶ 열화학칼로리(thermo-chemical calorie) : ㎈th - 비법정계량단위
화학자가 사용하고 있는 단위로 정의 칼로리라고도 한다.
마무리
숫자 뒤에 붙는 단위들은 세계적 공통어로 사용되고 있다. 만약 현대 문명생활에 단위가 없었다면 오늘날의 상거래 질서와 진보된 과학의 발전은 우리 곁에 오지 않았을 것이다. 인간생활의 편리함과 질서를 잡아 주고 있는 단위의 중요성을 이 기회를 통해 다시 한 번 느끼고 산다면 우리들의 실생활은 더 한층 높아질 것이다. 알기 쉬운 단위이야기 전호의 (Ⅰ)과 이번호(Ⅱ)를 연재하면서 미래의 공학도들과 소비자들에게 단위의 일부분이지만 조금이나마 도움이 됐으면 하는 마음으로 이 글을 마친다.
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