절대 0도(섭씨 -273도), 원자의 움직임을 멈추는 방법!

'절대 0도'는 원자들의 모든 움직임을 멈추게 한다. 이는 자연에서든 실험실에서든 만들어질 수 없다. 그리고 달성한다 해도 그 온도를 잴 수 있는 온도계가 없기 때문에 '절대 0도'인지 알 수가 없다. 또 에너지가 낮은 상황에서는 온도를 재는 게 어렵다. 초전도성이나 양자역학적 효과들이 개입하여 원자들의 움직임과 상태에 영향을 미치기 때문이다.

온도와 물질

① 온도 측정은 그 물질을 이루는 입자들의 평균 에너지를 기록하는 것
② 온도는 입자들이 얼마나 빠르게 진동하는지 또는 움직이는지 알려주는 척도

 

물질의 온도 영향

기체나 액체의 분자는 온 방향으로 자유롭게 이동하며 서로 부딪힌다. 액체보다는 기체가 더 자유도가 높다.

고체 원자들은 결정 구조에 단단히 고정되어 있다. 고체가 열을 받으면 고체는 제자리에 있지만 원자들은 에너지를 얻어서 활발하게 요동치기 시작한다.

물질을 차갑게 하면 원자는 움직임이 줄어든다.
기체나 액체라면 원자의 속도가 감소되고, 고체라면 원자의 속도가 떨어진다.

온도가 낮아질수록 원자의 움직임이 줄어든다. 매우 차갑게 할 수만 있다면 원자는 완전히 멈추는 그러니까 어는 순간이 올 것이다. 이 지점을 절대 0도라고 한다.

 

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켈빈 온도

절대 0도는 개념은 18세기에 등장했다. 온도와 에너지의 상관관계를 그린 그래프를 에너지가 0인 지점까지 외삽한 결과다.
※ 외삽 : 몇 가지 함숫값을 알고 있을 때(두 값을 알고 있는 상태에서), 두 점을 포함하는 범위의 바깥에 있는 값을 구하기 위하여 구간 밖의 함수를 추정하는 일.

절대 0도는 이렇게 추론한 것!

에너지는 온도에 비례하여 증가하는데, 그 선을 에너지가 0인 지점까지 거꾸러 그어보았더니 섭씨 -273.15도, 화씨로는 -459.67도였다.

19세기 영국 물리학자 켈빈 경이 절대 0도를 시작점으로 삼는 새로운 온도 체계를 제안했다.
ex) 물의 어느점은 섭씨로 0도이지만 켈빈 온도로는 273도이다.

대부분의 과학자들이 온도를 측정할 때 켈빈 눈금을 쓴다.

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절대 0도의 장소

남극에서는 영하 70도까지 내려간 적이 있다고 한다. 지구에서의 최저 온도는 영하 89도이며, 켈빈온도로는 184도이다.

부메랑 성운

우주에서 가장 추운 장소는 부메랑 성운 내부라고 한다. 그곳은 절대 0도에서 1도 정도 높다.
우주 공간의 온도는 켈빈 2.7도이다. 이 열은 빅뱅에서 기인한 것이며, 우주배경복사 때문이다.

 

 

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절대 0도 만들기

온도를 낮출 때 흔히 사용하는 것이 질소다. 액체 질소를 사용하면 켈빈 77도(섭씨 -196도)이다.

액체 헬륨은 켈빈 4도이다. 동위원소인 헬륨-3과 헬륨-4를 섞으면 더 차갑게 할 수 있다. 그러나 절대 0도까지 내려가지 않는다.

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우리는 분자(또는 원자)의 성질을 어디까지 알고 있는 걸까?

과일(과학의 일반화) 끝

 

 

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