열이 빠져나가는 기록 하나로, 물체 온도를 알 수 있을까요?

가상 금속 시료의 온도와 열이 전달되는 정도가 모두 미지수예요. 시료 온도와 접촉 조건은 유지한 채 접촉판 온도를 바꾸어, 열흐름 기록 하나로 알 수 있는 것과 두 기록으로 알 수 있는 것을 비교해요.

창가 작업대의 금속 물체 두 개

이미지: AI 생성 · 수학 이야기

금속과 나무가 같은 온도여도 열을 전달하는 빠르기가 달라 다르게 느껴질 수 있어요. 이를 출발점으로 가상 시료와 온도가 일정한 접촉판을 비교하겠습니다. 시료 온도 T도 측정 사이에 일정하게 유지되고, 판 온도 H에서 시료로 흐르는 열의 비율 q가 q=G(H−T)를 따른다고 정해요. q는 W, H와 T는 °C, 양수 G는 W/°C입니다.

판이 32°C일 때 q=12W라는 기록 하나를 받았어요. G=1이면 T=20이고, G=2이면 T=26입니다. 둘 다 12=G(32−T)를 만족하므로 기록 하나로 시료 온도를 고를 수 없어요.

같은 시료와 접촉 조건에서 판을 36°C로 바꾸자 q=20W였다고 해 볼까요? 두 식을 빼면 시료의 미지 온도가 사라져요.

20−12=G(36−32)20-12=G(36-32)
G=2,T=32−12/2=26G=2,\qquad T=32-12/2=26

두 기록에서 열전달 계수는 2W/°C, 시료 온도는 26°C로 결정돼요. 첫 기록에 맞았던 G=1, T=20은 두 번째에서 16W를 예측하므로 제외됩니다.

추가 기록이 유용한 이유는 같은 미지수에 다른 판 온도를 적용했기 때문이에요. 측정 도중 시료 온도나 접촉 특성이 변했다면 두 식을 그대로 빼서는 안 돼요. 열이 얼마나 흐르는지와 물체가 몇 도인지를 연결하려면, 함께 유지한 조건을 먼저 확인해야 해요.

참고한 수학 개념: Exploratorium · Cold Metal.

이 글의 생활 상황과 계산 예시는 수학 이야기에서 새로 구성했습니다.

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