일 할 수 있는 능력 에너지와 종류 및 측정 단위

에너지

일을 할 수 있는 능력을 말합니다. 일은 차를 가속하거나 돌을 들어 올릴 때 필요합니다. 우리는 에너지, 일률, 일을 서로 혼동할 때가 많습니다. 일률은 일을 하는 비율이고, 힘은 물체에 작용해 물체를 밀거나 끌어당기는 것입니다. 힘이 작용해 물체가 움직이면 일을 한 것입니다. 일은 물체에 작용한 힘의 크기와 물체가 움직인 거리로 결정됩니다.

 

 

종류

에너지는 질량과 함께 물리학의 기본 개념이며, 여러 가지 형태로 존재합니다. 에너지는 에너지 전환으로 다른 형태의 에너지로 바뀝니다. 예를 들면, 난로의 열은 복사의 형태로 우리에게 전달됩니다. 난로 근처에 있는 물체는 전자기 복사의 하나인 적외선으로 가열되어 열에너지를 얻습니다. 빛도 역시 전자기 복사이므로 에너지입니다. 그 밖에 다른 종류의 에너지로는 화학 에너지, 핵에너지, 전기에너지, 질량 등이 있습니다. 인간은 태양 복사에너지에 의존하고 있습니다. 태양의 적외선 복사는 지구를 따뜻하게 하고, 햇빛은 식물에게 성장 에너지를 공급합니다. 식물은 광합성으로 태양에너지를 화학 에너지로 저장합니다. 이렇게 저장된 양분은 모든 동물이 살아가는 데 없어서는 안 되는 식량입니다. 동물과 사람은 몸체와 근육을 움직이려고 식량에서 얻은 에너지를 이용합니다. 태양에너지는 석유, 가스, 석탄에 화학 에너지 형태로도 저장됩니다. 이 같은 화석연료는 수백만 년 전에 살았던 식물과 유기체가 썩어 생긴 것으로, 이를 태우면 화학 에너지가 열에너지로 바뀝니다. 열은 역학적 에너지로도 바뀌는데, 예를 들어 발전소에서는 석탄의 연소로 증기터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 즉 석탄에 저장된 화학 에너지는 열에너지로 바뀌고, 이 열에너지는 다시 역학적 에너지로 바뀝니다. 그리고 발전기는 터빈이 공급하는 역학적 에너지를 전기에너지로 바꿉니다. 핵에너지는 원자핵 속에 저장되어 있습니다. 핵분열이나 핵융합과 같은 핵반응에서 열과 복사에너지가 나옵니다. 핵분열 반응은 원자로에서 열을 방출하고, 핵융합 반응은 태양의 중심에서 엄청난 열을 발생시킵니다. 핵융합 반응에서 발생한 열은 태양 표면에서 복사에너지의 형태로 방출되고, 우리는 그중 극히 일부만을  받을 뿐입니다. 핵융합과 핵분열 반응에서 반응 후의 질량은 반응 전의 질량보다 약간 작습니다. 그 이유는 물질의 질량 중 극히 일부가 에너지로 전환되었기 때문입니다. 과학자들은 질량과 에너지는 같은 것이라고 생각합니다.

 

운동에너지

물체가 운동을 하기 때문에 지닌 에너지이며, 질량과 속도의 제곱에 비례합니다. 따라서 80㎞/h로 달리는 기차는 40㎞/h로 달리는 기차보다 운동에너지가 4배 더 큽니다. 정지해 있는 기차의 운동에너지는 0입니다. 기차가 달릴 때 가지고 있던 운동에너지는 브레이크를 걸어 정지할 때 생기는 마찰 때문에 모두 열로 바뀝니다.

 

위치에너지

물체의 위치나 상태에 따라 결정되는 에너지입니다. 위치에너지는 이미 행해진 일을 나타내기 때문에 저장 에너지라고도 합니다. 마룻바닥에 있는 상자를 들어서 식탁 위에 올려놓으면, 상자의 위치에너지는 상자를 식탁까지 들어 올리는 데 든 일만큼 증가합니다. 위치에너지는 다른 형태의 에너지로 바뀔 수 있습니다. 식탁 위에 있는 상자를 밀어 바닥에 떨어뜨리면 상자의 위치에너지는 운동에너지로 바뀝니다. 상자가 바닥에 부딪치면, 바닥과 주변의 공기가 진동합니다. 이 진동은 바닥과 공기를 가열하므로, 상자의 운동에너지는 열에너지로 바뀝니다. 화학 에너지도 위치에너지의 한 형태입니다. 분자는 원자의 위치에너지 때문에 에너지를 저장할 수 있습니다. 이 위치에너지는 분자 속의 원자 사이에 존재하는 힘의 작용으로 생깁니다. 화학반응이 일어나는 동안 원자들의 위치가 서로 변해 원자의 위치에너지에 변화가 생기는데, 원자의 위치에너지가 줄어들면, 줄어든 만큼의 에너지를 열로 방출합니다.

 

에너지 보존

상자가 식탁에서 떨어질 때, 운동에너지는 증가하지만 위치에너지는 감소합니다. 그러나 낙하 도중에 운동에너지와 위치에너지의 합은 항상 일정합니다. 이렇게 에너지의 합이 일정한 것을 '에너지 보존'이라고 합니다. 에너지 보존법칙은 떨어지는 상자뿐만 아니라 우주에도 적용되므로, 우주의 전체 에너지 양은 항상 일정합니다. 전체 에너지가 보존되면서 에너지가 한 형태에서 다른 형태로 변하는 것을 보여주는 좋은 예로 진자가 있습니다. 진자가 흔들리면서 가장 높은 위치에 이르렀을 때, 진자는 그 위치에 해당하는 위치에너지를 가집니다. 또 진자가 가장 낮은 위치에 이르렀을 때 진자는 운동에너지만 가집니다. 이 운동에너지는 진자가 다시 가장 높은 위치에 이르면 모두 위치에너지로 변합니다. 만일 공기의 마찰과 저항이 없다면, 진자는 영원히 진동할 것입니다. 그러나 마찰로 소모된 에너지는 없어지는 것이 아니라 열로 바뀝니다. 에너지와 물질 사이에 밀접한 관계가 있다는 것이 밝혀지면서, 물질도 에너지 보존법칙에 포함되었습니다. 에너지는 새로 생기거나 없어질 수는 없지만 물질에서 끌어낼 수도 있고 물질로 변하게 할 수도 있습니다. 예를 들면, 입자가속기에서 가속된 입자들은 매우 빠른 속도로 충돌해 새로운 입자를 만드는데, 이것이 에너지가 물질로 바뀐 경우입니다.

 

측정 단위

국제단위계에서는 에너지의 단위로 줄(J)을 씁니다. 1J은 1 뉴턴(N)의 힘을 작용시켜서 물체를 그 힘의 방향으로 1m 움직이는 데 필요한 일의 양입니다. 위치에너지는 물체의 무게와 그 물체가 기준면에서 떨어져 있는 수직거리를 곱해서 구합니다. 반면에, 운동에너지 E는 E=mv²/2으로 구하는데, 여기서 m물체의 질량, v는 물체의 속도입니다.