SI 단위

왜 배우는가: 건축기계설비의 설계, 시공, 성능점검에서 단위를 잘못 쓰면 용량 산정과 시방 검토가 모두 어긋난다. 기술사 1교시에서 SI 단위 표기와 유도단위 유도 과정을 반복해 묻는 이유는 이 기초가 모든 계산의 출발점이기 때문이다.

출제 이력: 제132회 1교시 6번, 제116회 1교시 9번, 제110회 1교시 1번, 제94회 1교시 7번, 제89회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 국제단위계(SI)는 기본단위를 정하고 이를 조합하여 모든 물리량의 단위를 만드는 국제 공통 단위 체계이다.

핵심 키워드

• 국제단위계(SI)
• 기본단위
• 보조단위
• 유도단위
• 접두어
• 물리 상수
• 법정단위
• 차원 해석

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 SI는 길이, 질량, 시간 같은 물리량을 재는 공통 기준이다. 나라마다 다른 단위를 쓰면 설계도, 시방서, 시험 성적서의 값을 서로 바꿔 쓸 수 없으므로 같은 기준을 쓰도록 정한 것이다.

정식 정의는 다음과 같다. 국제단위계는 국제도량형총회(CGPM)가 채택한 단위 체계로, 독립된 기본량에 대응하는 기본단위와 기본단위의 곱과 나눗셈으로 만드는 유도단위로 구성된다.

기본단위는 기본단위 7개이며 초(s), 미터(m), 킬로그램(kg), 암페어(A), 켈빈(K), 몰(mol), 칸델라(cd)다. 이 7개는 서로 독립이어서 차원 해석에 쓰이는 기본 차원 집합을 이룬다. 차원 해석은 어떤 식의 양변이 같은 차원을 가지는지 확인하는 방법이다.

유도단위는 기본단위에서 유도된다. 힘의 단위 뉴턴(N)은 1 N = 1 kg·m/s²이고, 압력의 단위 파스칼(Pa)은 1 Pa = 1 N/m²이다. 일의 단위 줄(J)은 1 J = 1 N·m, 동력의 단위 와트(W)는 1 W = 1 J/s이다. 이름이 붙은 유도단위는 22개다.

건축기계설비에서 자주 쓰는 복합 단위도 같은 원리로 만든다. 비열은 J/(kg·K), 열전도율은 W/(m·K), 열관류율은 W/(m²·K), 엔탈피는 J/kg이다. 중량은 질량이 아니라 힘이므로 SI에서는 N으로 쓴다. 공학단위 kgf는 SI 단위가 아니다.

보조단위는 평면각의 라디안(rad)과 입체각의 스테라디안(sr)을 가리켰다. 두 단위는 차원이 없는 량이어서 1995년 국제도량형위원회(BIPM)의 결정으로 보조단위 범주가 폐지되고, 차원 없는 유도단위로 재분류되었다. 현재는 별도 범주가 아니다.

접두어는 10의 거듭제곱을 간단히 나타내는 기호다. BIPM은 접두어를 24개 지정하며, 예를 들어 k는 10³, M은 10⁶, m은 10⁻³, µ는 10⁻⁶이다. 같은 단위라도 접두어를 바꾸면 값의 크기만 달라진다. 예로 1 kPa는 1000 Pa이다.

3. 등장 배경과 필요성

18세기 말 프랑스 혁명 이후 미터법이 도입되었다. 이후 19세기에는 CGS 단위계와 MKS 단위계가 학계에서 쓰였고, 전기 단위가 나중에 체계에 포함되면서 단위 체계가 여러 번 확장되었다. 여러 체계가 병존하자 1960년 국제도량형총회에서 국제단위계가 채택되었다.

건축기계설비 분야에서 SI가 필요한 이유는 계산과 문서의 공통성 때문이다. 냉난방 부하는 kW, 풍량은 ㎥/s, 배관 압력은 kPa나 MPa, 열전달계수는 W/(m²·K)로 표기한다. 설계자, 시공자, 시험기관이 같은 단위를 쓰지 않으면 성능 기준과 시험 결과를 비교할 수 없다.

국제단위계의 기본단위 정의는 2018년 11월 국제도량형총회에서 바뀌었다. 기존에는 질량 원기 같은 실물이나 실험 장치에 의존한 정의가 있었는데, 시간이 지나며 기준이 변하는 오차가 생겼다. 이에 안정성과 명확성을 위해 2018년 개정으로 질량, 전류, 온도, 물질량의 4개 기본단위가 고정된 물리 상수로 정의되었다.