어떤 단위계에도 속하지 않는 단위가 있습니다. 국제단위계도, 야드파운드법도, 미국 관습 단위계도 아닙니다. 한 분야를 위해 만들어졌고 그 분야의 양에 잘 맞으며, 바꾸면 일상의 수가 읽기 쉬워지기는커녕 어려워지기 때문에 살아남았습니다. 칼로리, 와트시, 전자볼트가 가장 뚜렷한 예이며 셋 다 에너지를 잽니다.
에너지가 이런 단위를 끌어들이는 것은 그 범위가 유별나게 넓기 때문입니다. 화학 결합 하나를 끊는 데는 약 10의 마이너스 19제곱 줄이, 한 가구의 하루 전력 소비에는 약 10의 7제곱 줄이 듭니다. 아주 평범한 두 양 사이에 스물여섯 자리의 간격이 있는 셈입니다. 줄은 양쪽 끝 어디에서도 어울리지 않아, 각 분야가 자기 일에 맞춘 단위를 받아들였습니다.
단위계는 단위의 모음 이상입니다. 기본단위가 있고, 나머지를 이끌어 내는 규칙이 있으며, 대개 접두어 한 벌이 있습니다. 국제단위계는 셋을 다 갖추고 있습니다. 이 문서의 단위들은 어느 것도 갖추지 못했습니다. 모두 줄로의 환산으로 정해진 개별 정의이며 서로 구조적인 연결이 없습니다.
국제도량형국은 이런 단위 여럿을 국제단위계와 함께 쓰도록 인정합니다. 리터와 시간과 톤처럼 너무 깊이 뿌리내려 없앨 수 없어 인정되는 것이 있습니다. 전자볼트와 천문단위처럼 값이 실험으로 정해지고 실제로 쓸모가 있어 인정되는 것도 있습니다. 여기서 다루는 단위는 두 범주에 걸쳐 있고 어느 것도 권장에서 제외되지 않았습니다.
칼로리는 물 1그램의 온도를 섭씨 1도 올리는 데 필요한 에너지로 정의되었습니다. 이 양은 출발 온도에 따라 조금 달라지므로, 세월이 흐르며 미세하게 다른 값의 칼로리가 여럿 정해졌습니다. 정확히 4.184줄로 정해진 열화학 칼로리가 오늘날 일반적으로 쓰이는 것입니다.
이 단위를 둘러싼 혼란은 오로지 규모의 문제입니다. 식품 포장에 인쇄된 칼로리는 물리학의 칼로리가 아닙니다. 천 배 큰 킬로칼로리이며 구별을 위해 대문자로 적기도 합니다. 250칼로리로 표시된 초콜릿 바에는 250킬로칼로리, 곧 25만 물리 칼로리, 약 105만 줄이 들어 있습니다. 여러 나라의 영양 표시는 이제 킬로줄을 나란히 인쇄하며 이로써 모호함이 사라집니다.
영양학에서 이 단위가 남은 것은 수가 잘 떨어지기 때문입니다. 하루 에너지 섭취량은 대략 2000에서 2500킬로칼로리로 외우기 쉬운 범위입니다. 줄로 나타내면 같은 수치가 800만에서 1000만이 되어, 가게에서 두 제품을 견주는 사람에게 아무것도 전하지 못합니다.
와트시는 1와트의 전력을 한 시간 유지할 때 공급되는 에너지입니다. 1와트는 초당 1줄이고 한 시간은 3600초이므로, 1와트시는 정확히 3600줄이고 1킬로와트시는 정확히 3.6메가줄입니다.
이 단위가 기대는 구별은 정확히 말할 값어치가 있습니다. 계량 전체에서 가장 자주 혼동되는 짝이기 때문입니다. 일률은 비율, 곧 에너지가 소비되는 속도입니다. 에너지는 총량입니다. 2000와트 난방기는 일정한 속도로 에너지를 끌어 쓰며, 세 시간 쓰면 6킬로와트시를 소비합니다. 전기는 일률이 아니라 에너지에 대해 요금이 매겨지며, 계량기가 킬로와트시를 보이는 이유입니다.
이 단위는 모든 규모에서 에너지 산업을 지배합니다. 가정의 청구서는 킬로와트시로 나옵니다. 전기차 배터리는 보통 40에서 100킬로와트시로 표시됩니다. 발전소의 출력은 메가와트시로, 나라 전체의 소비는 테라와트시로 잽니다. 줄은 국제단위계의 단위이면서도 이들 어디에도 쓰이지 않습니다. 수가 감당하기 어려워지기 때문입니다. 가정의 한 해 전력은 약 12기가줄인데 이를 해석할 수 있는 사람은 거의 없습니다.
| 상황 | 대표적인 값 | 줄 환산 |
|---|---|---|
| 발광 다이오드 전구 한 시간 | 0.01 kWh | 36,000 J |
| 전기 주전자 한 번 | 0.1 kWh | 360,000 J |
| 한 가구 하루 | 10 kWh | 36,000,000 J |
| 전기차 완충 | 60 kWh | 216,000,000 J |
전자볼트는 전자가 1볼트의 전위차를 지날 때 얻는 에너지입니다. 2019년 국제단위계의 재정의 이후 기본 전하가 정의된 상수가 되었으므로 이 단위는 정확히 1.602176634 곱하기 10의 마이너스 19제곱 줄입니다.
입자물리학과 원자물리학의 실용 단위입니다. 화학 결합은 몇 전자볼트, 가시광선의 광자는 약 1.6에서 3.3전자볼트입니다. 엑스선은 수천, 원자핵의 전이는 수백만 자리입니다. 가속기는 수십억에서 수조에 이르며 대형 강입자 충돌기는 13조 전자볼트로 운전됩니다. 이 규모에서 줄을 쓰면 모든 계산에 마이너스 19제곱의 지수를 끌고 다녀야 합니다.
전자볼트는 또 하나의 구실도 합니다. 질량과 에너지의 등가성을 통해 물리학자는 입자의 질량을 전자볼트를 빛의 속력의 제곱으로 나눈 형태로 나타내며, 보통 그 나눗수는 당연한 것으로 여겨 생략합니다. 전자는 511킬로전자볼트, 양성자는 938메가전자볼트, 힉스 입자는 약 125기가전자볼트입니다. 이로써 질량과 에너지를 곧바로 견줄 수 있게 되며, 둘을 일상적으로 환산하는 자리에서 뜻을 갖습니다.
에너지만 체계 밖의 단위를 가진 양은 아닙니다. 다른 몇몇도 국제단위계에 속하지 않은 채 함께 쓰도록 공식으로 허용되어 있으며, 이 사이트의 다른 곳에도 나타납니다.
시간이 가장 큰 예외입니다. 분과 시간과 날은 정규 단위가 아니고 십진도 아니지만, 이를 바꾸자는 진지한 제안이 통과된 적은 없습니다. 초가 기본단위이고 그 위는 모두 바빌로니아의 육십진법에서 물려받았습니다. 각도도 마찬가지입니다. 도와 각분과 각초는 원을 10의 거듭제곱이 아니라 360으로 나누지만 정규 단위는 라디안입니다.
부피와 질량에는 각각 허용된 외부자가 하나씩 있습니다. 리터는 정확히 1세제곱데시미터로, 세제곱미터는 가정의 양에 너무 크고 세제곱센티미터는 너무 작아 남았습니다. 톤은 정확히 1000킬로그램으로 규모의 반대편에서 같은 이유로 남았습니다. 농지 면적에는 헥타르가 있어 1만 제곱미터입니다. 제곱킬로미터는 밭에 너무 거칠고 제곱미터는 지나치게 잘기 때문에 살아남았습니다.
압력에는 둘이 있습니다. 바는 정확히 10만 파스칼, 기압은 정확히 101,325파스칼입니다. 둘 다 보통의 대기압에 가까워 편리하며, 1에 가까운 값이 곧바로 뜻을 가집니다. 101,325파스칼은 그렇지 않습니다.
| 단위 | 양 | 엄밀한 값 | 환산 |
|---|---|---|---|
| 리터 | 부피 | 0.001 m³ | 세제곱미터로 |
| 톤 | 질량 | 1000 kg | 킬로그램으로 |
| 시간 | 시간 | 3600 s | 초로 |
| 도 | 각도 | π/180 rad | 라디안으로 |
| 헥타르 | 넓이 | 10,000 m² | 제곱미터로 |
| 바 | 압력 | 100,000 Pa | 파스칼로 |
공통된 줄기는 읽기 쉬움입니다. 각 단위는 그 분야의 양이 대략 1에서 수천 사이의 수로 나오도록 골라졌습니다. 사람이 견주기에 가장 알맞은 범위가 거기이기 때문입니다. 모든 수를 지수 표기로 몰아넣는 단위는 형식적 장점이 무엇이든 그 분야를 생각하기 어렵게 만듭니다.
관성도 작용하며 이는 단순한 고집이 아닙니다. 수십 년치의 공표된 측정값, 기기 보정, 요금 체계, 규정이 이 단위로 표현되어 있습니다. 환산이 엄밀한 이상 단위를 바꾸어도 정확도는 조금도 나아지지 않고 기존 축적 전체의 읽기 쉬움만 사라집니다.
사라진 것은 모호함입니다. 여기서 다루는 각 단위는 오늘날 엄밀한 줄 수로 정의되어 있어 서로 옮겨도 잃는 것이 없습니다. 늘 그랬던 것은 아닙니다. 특히 칼로리는 20세기에 들어서도 한참 동안 여러 경쟁하는 정의를 지녔고, 오래된 자료는 주의가 필요합니다.
| 단위 | 기호 | 줄 환산 | 환산 |
|---|---|---|---|
| 전자볼트 | eV | 1.602176634 × 10-19 | 줄로 |
| 칼로리 | cal | 4.184 | 줄로 |
| 와트시 | Wh | 3600 | 줄로 |
| 킬로칼로리 | kcal | 4184 | 줄로 |
| 킬로와트시 | kWh | 3,600,000 | 줄로 |
이 단위들에서 가장 흔한 혼동은 환산이 아니라 양 자체에 있습니다. 킬로와트와 킬로와트시는 비슷하게 들리지만 다른 것을 잽니다. 킬로와트는 일률, 곧 단위 시간당 에너지입니다. 킬로와트시는 에너지, 곧 일률에 시간을 곱한 것입니다. 5킬로와트 열펌프는 두 시간에 10킬로와트시를 소비합니다.
태양광 설비에서는 같은 짝이 나란히 나타납니다. 설비는 최대 출력을 킬로와트로 가지며 한 해에 킬로와트시의 에너지를 냅니다. 두 수는 같은 설비를 나타내며 견주어서는 안 됩니다. 견적을 살피는 사람은 환산에 앞서 그 값이 비율을 뜻하는지 총량을 뜻하는지 가리는 것이 좋습니다.
이 단위로 적힌 역사적 수치는 주의가 필요합니다. 칼로리가 여러 번 정의되었기 때문입니다. 정확히 4.184줄인 열화학 칼로리가 오늘날의 표준이지만, 국제 증기표 칼로리는 4.1868줄, 15도 칼로리는 약 4.1855, 평균 칼로리는 약 4.190입니다. 흩어짐은 0.25퍼센트에 못 미쳐 영양학에서는 무시할 수 있고 정밀 열화학에서는 뜻을 가집니다. 대략 1950년 이전에 나온 자료는 어느 칼로리를 가리키는지 확인하는 것이 좋습니다.
전자볼트는 반대의 역사를 걸었습니다. 값이 기본 전하의 측정에 기대었으므로 꾸준히 나아졌고 기초 상수가 개정될 때마다 끝자리가 움직였습니다. 2019년 이후로는 엄밀하며 다시 바뀌지 않습니다. 유효숫자를 많이 붙여 에너지를 적은 오래된 논문이 오늘날의 값과 조금 다른 이유입니다.
와트시는 한 번도 모호했던 적이 없습니다. 실험이 아니라 정의에 의해 초와 줄에서 나오기 때문입니다. 1920년에 읽은 킬로와트시는 오늘날과 정확히 같은 뜻을 가집니다.
여기서 다루는 각 단위가 줄로 엄밀하게 정의되어 있으므로 어느 두 단위 사이의 환산도 엄밀한 계산입니다. 줄이 자연스러운 다리입니다. 줄로 바꾼 다음 거기서 나오면 됩니다. 1킬로와트시는 860.4킬로칼로리, 1킬로칼로리는 1.163와트시입니다. 전자볼트는 어느 쪽과도 뜻있게 견줄 수 없을 만큼 작으며, 바로 그 때문에 세 단위가 함께 존재합니다.
이 사이트의 모든 에너지 단위는 에너지 단위 목록에서 볼 수 있습니다. 줄과 그 접두어와의 관계는 국제단위계에서 확인할 수 있습니다.