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자주하는 질문

Total 142   
  • 작성일2010-02-23
우리가 지구 밖으로 나가면 바로 얼어버리게 된다는 얘기를 들었습니다. 그러면 진공상태에서 물의 끓는점은 얼마인지요? 압력이 낮아지면 끓는점도 낮아지는데 진공상태에서의 끓는점이 우주의 온도보다 높나요? 또 왜 우주의 온도는 매우 낮나요?모든 진공상태에서의 온도는 매우 낮나요??




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온도는 물질과 복사의 상태에 따라 천문학적으로 역학적 온도, 흑체 복사온도, 색 온도 등 세 가지로 정의됩니다.



역학적 온도는 기체상태의 물질에 정의되는 온도로 입자의 속도 분포에 의하여 정의됩니다. 일반적으로 평형을 이루고 있는 기체의 속도분포는 통계역학적 온도에 따라 맥스웰 분포를 이루게됩니다. 이때 정의된 통계역학적 온도가 역학적 온도입니다. 예를 들면 기온이 10도C 라든가, 코로나의 온도가 100만 K, 성간 물질의 온도가 10K 라는 말은 바로 기체의 속도분포에 의하여 정의된 역학적 온도가 됩니다.



흑체 복사온도는 입자의 속도를 정의할 수 없는 물체의 온도로서 물체로부터 복사되는 전자기파의 파장에 따른 복사의 세기 분포가 온도에 임의적으로 정의된 프랑크 법칙에 따르는 복사에 의하여 정의된 온도입니다. 흑체는 어떤 특정파장의 빛만을 흡수하거나 방출하는 일반적인 물질과 달리 모든 파장의 빛을 흡수, 또는 방출할 수 있는 가상적인 물체로서 별, 우리 우주, 행성 등이 이와 유사한 물체가 됩니다. 예를 들면 3K 우주배경복사, 지구의 흑체 복사 온도 10도C=283K라든지, 태양 광구의 흑체 복사온도가 6000K라든지 하는 것이 흑체 복사온도로 정의된 온도입니다.



색 온도는 흑체 복사온도보다 더 실제적인 물체에 적용되는 온도입니다. 태양의 경우 태양대기 원자나 분자에 의하여 광구로부터 오는 빛이 선택적으로 흡수되게 되어 정확한 흑체 복사를 보여주지 않아 흑체 복사온도를 정의할 수 없습니다. 또 달구어진 쇠나 쇳물과 같은 고체나 액체의 온도는 위의 두 가지 방법에 의하여 정의할 수 없습니다. 이런 경우에 색 온도를 정의하게 됩니다. 색 온도는 천문학에서 색 지수에 의하여 정의된 온도라 생각하면 편리합니다. 이 색 온도의 예는 용광로의 쇳물의 온도가 2500K라느니 달구어진 난로의 온도가 900K라는 것 등입니다.



예를 들면 "햇빛이 잘 드는 20도C인 사무실의 역학적온도, 색 온도, 흑체 복사의 온도를 구하라"하는 문제에 대한 답은 다음과 같습니다. 사무실에 있는 공기 입자의 통계역학적 온도는 바로 기온이므로 역학적 온도는 273+20=293K가 됩니다. 흑체 복사온도는 지구의 흑체 복사가 가득 차 있으므로 지구의 흑체 복사온도가 바로 사무실의 흑체 복사온도가 됩니다. 지구의 흑체 복사온도는 대략 283K이므로 이 온도가 흑체 복사온도가 됩니다. 한편 색 온도는 사무실에 햇빛이 가득 들어있으므로 이 햇빛의 색 온도가 바로 사무실의 색 온도가 되어 5800K가 됩니다.



이를 기초로 질문에 대한 답을 합니다.



1) 진공상태에서 물의 끓는 점

진공생태에 물을 내어놓으면 즉시 증발할 것이므로 온도를 정의할 수 없습니다.



2) 진공의 온도

역시 온도를 정의할 수 없습니다.



다만 우주공간의 경우 역학적 온도와 흑체 복사온도를 정의할 수 있습니다. 역학적 온도는 입자가 포함되어 있어야하는데 지구근처 우주공간의 경우 태양풍의 입자가 포함되어 있으므로 역학적 온도는 수천 도에서 수만 도로 높고 (지구 이온 층의 역학적 온도가 기온에 비하여 매우 높습니다), 흑체 복사온도는 우주의 3K 배경복사가 꽉 차 있으므로 3K라 할 수 있을 겁니다. 그리고 성간 공간의 경우 평균적인 역학적 온도가 10K로 알려져 있습니다.



3) 그런데 왜 우주공간에서는 얼어버릴까

사람을 포함하여 지구로부터 간 물체들이 열을 복사 형태로 방출하게 되므로 열 보충이 없으면 급격히 온도가 내려가게 됩니다.
  • 작성일2010-02-23
아주 급격하게 수축하지 않는 경우를 다룰 때 안정상태와 마찬가지로 취급하는 준 안정상태 (quasi-static)를 가정하게 됩니다. 이 상태에서는 기체의 정 역학적 평형, 즉 압력=중력을 가정합니다. 그리고 별의 경우 이상기체를 가정할 수 있습니다.



공기덩어리가 단열팽창이나 수축과 같이 외계와 에너지 교환이 없는 경우에는 밀도와 부피의 변화는 온도의 변화로 나타납니다. 즉 단열 팽창인 경우 온도가 떨어지고, 단열 수축인 경우 온도가 올라갑니다. 이때 엔트로피는 변화가 없게 됩니다. 즉, 열 변화 = 엔트로피 변화 / 온도 = 0. 별의 수축을 단열과정으로 볼 수 있습니다.



별이 수축하게 되면 반경이 작아지므로 중력은 커지고, 정 역학적 평형상태를 이루려면 압력이 증가하게 됩니다. 또 단열 과정으로 부피가 수축하게 되면 온도가 상승하게 됩니다. 따라서 별의 수축은 부피가 감소하고, 온도와 압력이 올라가게 됩니다.



참고로 이렇게 온도와 압력이 올라가면 별의 수축이 정지될 것입니다. 그런데 별은 완전 단열과정이 아니고, 온도와 압력이 올라가게 되면 분자들이 분해된다든지, 원자들이 이온화 한다든지, 장파장의 빛을 낸다든지 해서 에너지를 소모하거나 방출하게 됩니다. 이렇게 되면 온도가 떨어지게 되고, 별은 다시 수축 하게됩니다.