우리가 살고 있는 우주를 아주 단순화시켜보면 우주는 물질과 에너지가 결합된 것이다.
물질은 실체이고 에너지는 실체를 움직이게 하는 것이다. 물질에 비해 에너지는 추상적
개념이다. 에너지는 보고 냄새 맡고 느낄 수 없는 것이라 어렵게 생각된다. 사람이나 물체
는 에너지를 가지고 있지만 에너지의 형태가 전환될 때에만 에너지를 관측할 수 있다.
태양은 전자기파로 지구에 에너지를 전달하지만 우리가 느끼는 것은 열의 형태로 전환된
에너지이다. 에너지에 대해 알아보기로 한다.
일
에너지와 일은 밀접한 관계가 있다. 일을 할 수 있도록 하는 그 무엇인가가 바로 에너지
인 것이다. 일반적으로 작용하는 힘이 일정하고 힘의 방향으로 직선운동을 할 때 물체에
하여진 일을 힘과 물체가 움직인 거리의 곱으로 정의한다. 즉 일 = 힘 x 거리이다.
역학 에너지
양궁선수가 활시위를 당길 때 일을 하는 것이고 당겨진 활이 화살에 일을 할 수 있는
능력을 갖게 되는 것이다. 말뚝 박는 기계는 무거운 해머를 들어 올릴 때 일을 하므로
해머가 떨어지면서 말뚝을 땅속에 박을 수 있는 능력을 갖게 된다. 이 상의 상황들에서
보면 물체에 주어진 그 무엇인가가 물체로 하여금 일을 할 수 있게 한다. 물체가 일을
할 수 있게 하는 이 성질을 바로 에너지라고 한다. 에너지는 여러 형태로 나타나는데
우선 역학 에너지를 살펴보기로 한다. 역학 에너지는 퍼텐셜 에너지와 운동에너지
형태로 나타난다.
- 퍼텐셜 에너지
물체는 위치에 따라 에너지를 저장할 수 있는데 이렇게 저장된 에너지를 퍼텐셜 에너지
라고 한다. 에너지가 저장되면 물체는 일을 할 수 있는 능력 즉 퍼텐셜을 갖게 된다.
예를 들어보자. 늘리거나 압축시킨 용수철은 위치의 변형으로 일을 할 수 있는 퍼텐셜을
갖는다. 늘어난 고무줄도 위치의 변형으로 퍼텐셜 에너지를 갖게 되어 고무줄 새총처럼
일할 능력을 갖게 되는 것이다. 퍼텐셜 에너지는 화석연료, 전기 배터리 등에서도 발견
할 수 있다 분자 내 또는 분자 사이의 전하 위치가 바뀔 때 즉 화학적 변화가 일어날 때
퍼텐셜 에너지를 얻을 수 있다
- 운동에너지
운동에너지는 질량의 이동에 의한 것이다. 물체를 밀면 물체는 운동을 하게 된다. 즉
물체에 일을 하면 물체의 운동에너지를 변화시킬 수 있다. 물체가 운동하고 있다면
운동에 의해서 일을 할 수 있다. 운동에 의한 에너지를 운동에너지라고 한다.
운동에너지= 1/2 질량 x 속력^2으로 나타낸다. 예를 들어보자. 공을 던질 때 공에 일을
해서 운동에너지가 생긴다. 이 운동하는 공이 다른 물체를 맞추며 물체를 밀어내는
일을 하게 된다. 운동에너지는 빛 소리 열과 같은 형태로도 나타난다. 빛 에너지는
원자 내 전자의 운동에 의한 것이고. 멋대로 움직이는 분자운동은 열에너지로. 리듬에
따른 분자의 진동은 소리로 나타나는 것이다.
에너지 보존
`에너지는 생성되거나 소멸되지 않으며 한 형태에서 다른 형태로 전환되더라도 총
에너지는 변하지 않는다'로 에너지 보존을 정의할 수 있다. 에너지 자체가 무엇인가
를 설명하는 것 보다는 에너지가 어떻게 행동하고 전환되는지를 이해하는 게 훨씬 중요
하다고 할 수 있다. 자연에서 일어나는 어떠한 과정이나 변화는, 에너지가 한 형태에서
다른 형태로 전환하는 것이나 한 장소에서 다른 장소로 전달되는 것들을 분석하면, 더
잘 이해 될 것이다. 예를 들어보자. 돌을 새총에 넣어 고무줄을 당길 때 고무줄을 늘이기
위해 일을 한다. 고무줄에 퍼텐셜 에너지를 주는 것이다. 당겨진 고무줄을 놓으면 고무줄
의 퍼텐셜 에너지와 같은 크기의 운동 에너지를 돌이 갖게 된다. 에너지의 전환이 일어
나는 것이다. 이처럼 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 바뀐다.
태양에서 방출하는 복사에너지의 일부는 지구에 도달한다. 도달한 복사에너지의 일부는
식물에 흡수되고 식물은 나중에 석탄이 된다. 또한 복사에너지의 일부는 식물로부터
시작되는 먹이 사슬을 통해 생명체를 유지시켜 준다. 그중 일부는 나중에 석유가 된다.
복사에너지의 일부는 대양의 물을 증발시키고 댐을 채우는 비의 형태로 되돌아오는데
댐은 물의 퍼텐셜 에너지로 발전소를 가동해 전기에너지를 만든다. 전기에너지는
가정에 공급되어 난방. 요리. 전기기구 동작 등에 사용된다,. 이 모든 것이 에너지가 한
형태에서 다른 형태로 바뀌는 것이다. 그러나 전체적으로 보면 에너지의 생성이나 소멸
없이 다른 형태의 에너지로 전화될 뿐이다.
한편 모든 동물식물 및 살아있는 세포는 에너지의 공급을 필요로 한다. 지구 상에서
유기체를 위한 연료는 산소와 반응하여 에너지를 방출하는 여러 가지 탄화수소 화합물
이다. 음식물 내의 수소 산소 및 탄소의 화학결합으로 생성된 에너지는 소화 과정을
거친 후 이산화탄소와 물의 결합으로 얻게 되는 부산물보다 더 많은 에너지를 저장하고
있는데 두 에너지의 차이가 생명을 유지시키는 것이다.
에너지의 전환 과정에는 비효율성이 따른다. 에너지가 전환될 때 유용한 에너지에서 쓸모
없는 에너지로 바뀌는 것이다. 양질의 에너지는 각각의 전환 과정에서 감소하여 결국
열로 전환된다. 열에너지가 낮은 온도로 전환되는 경우를 제외하고는 전혀 쓸모가 없게
된다. 열은 유용한 에너지의 마지막 종착역이 되는 셈이다.
지금까지 에너지에 대해 알아보았다. 에너지는 과학에서 가장 중심이 되는 개념이다.
우주를 이루는 근원인 것이고. 물체가 일을 할 수 있게 하는 성질이 에너지인 것이다.
역학적 에너지는 위치에 의해 물체에 저장된 퍼텐셜 에너지와 질량의 이동에 의한 운동
상태의 에너지인 운동에너지로 나타난다. 에너지는 생성되거나 소멸되는 것이 아니라
한 형태에서 다른 형태로 전환되더라도 총에너지는 변하지 않고 보존된다.
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