에너지 — 형태는 바뀌어도 총량은 같다

1.운동 에너지와 위치 에너지

에너지는 일을 할 수 있는 능력입니다. 단위는 J(줄)입니다. 움직이는 물체가 가진 에너지를 운동 에너지, 높은 곳에 있어서 가진 에너지를 (중력에 의한) 위치 에너지라고 합니다.

운동 에너지는 속력의 제곱에 비례합니다. 그래서 속력이 2배가 되면 운동 에너지는 4배가 됩니다. 자동차가 빠를수록 제동 거리가 급격히 늘고 사고 피해가 커지는 이유가 여기에 있습니다. 위치 에너지는 질량과 높이에 비례합니다.

2.에너지 보존과 전환

에너지는 새로 만들어지거나 없어지지 않고 한 형태에서 다른 형태로 바뀔 뿐이며, 전체 양은 일정합니다. 이것이 에너지 보존 법칙입니다. 지금까지 이 법칙에 어긋나는 현상은 발견되지 않았습니다.

롤러코스터는 꼭대기에서 위치 에너지가 가장 크고, 내려오면서 그것이 운동 에너지로 바뀝니다. 공기 저항과 마찰이 없다면 둘의 합(역학적 에너지)이 일정하게 유지됩니다. 실제로는 일부가 열과 소리로 바뀌기 때문에, 롤러코스터의 두 번째 언덕은 첫 언덕보다 낮게 만듭니다.

생활 속 기기는 모두 에너지 전환 장치입니다. 전자레인지는 전기 에너지를 전자기파로 바꾸어 음식 속 물 분자를 흔들어 열을 냅니다. 휴대폰을 충전하면 전기 에너지가 배터리 속 화학 에너지로 저장되었다가, 쓸 때 다시 전기 에너지로 바뀌어 빛과 소리가 됩니다. 사람은 음식의 화학 에너지로 근육을 움직입니다.

3.일과 일률

과학에서 일은 힘을 주어 물체를 힘의 방향으로 이동시킨 것을 말합니다. 일의 양은 힘과 이동 거리를 곱해 구하고, 단위는 에너지와 같은 J입니다. 무거운 가방을 들고 가만히 서 있으면 팔은 힘들지만, 가방이 움직이지 않았으므로 과학적 의미의 일은 0입니다.

일률은 1초 동안 하는 일의 양, 즉 얼마나 빨리 일을 하느냐입니다. 단위는 W(와트)이며 1 W는 1초에 1 J의 일을 하는 것입니다. 같은 계단을 걸어 올라가든 뛰어 올라가든 한 일은 같지만, 뛰어가면 시간이 짧으므로 일률이 큽니다.

4.전력량 kWh — 전기 요금의 단위

전기 제품에 적힌 소비 전력(W)은 일률과 같은 개념입니다. 1초에 전기 에너지를 얼마나 쓰는지를 나타냅니다. 실제로 쓴 에너지의 양인 전력량은 소비 전력에 사용 시간을 곱해 구합니다.

J은 생활에서 쓰기에 너무 작은 단위라서 전기 요금은 kWh(킬로와트시)로 셉니다. 1 kWh는 1000 W를 1시간 쓴 전력량이며, 1000 W × 3600 s = 3,600,000 J입니다. 고지서의 사용량이 바로 이 kWh입니다.

5.열과 효율

열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 에너지입니다. 온도는 물질을 이루는 입자가 얼마나 활발하게 움직이는지를 나타내는 값이고, 열은 그 차이 때문에 옮겨 가는 에너지의 양이라는 점에서 둘은 다른 개념입니다.

에너지가 전환될 때는 거의 항상 일부가 열로 흩어지고, 흩어진 열은 다시 모아 쓰기 어렵습니다. 그래서 들어간 에너지 중 원하는 형태로 나온 비율을 효율이라고 합니다. 백열전구는 전기의 대부분을 열로 내보내고 일부만 빛으로 바꾸지만, LED 조명은 같은 밝기를 훨씬 적은 전력으로 냅니다. 휴대폰을 충전할 때 충전기와 폰이 따뜻해지는 것도 손실된 에너지가 열로 나오는 것입니다.

냉장고와 에어컨은 열을 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 옮기는 장치입니다. 열이 저절로는 그렇게 이동하지 않으므로 전기 에너지를 들여 냉매를 순환시킵니다. 냉장고 뒤나 실외기에서 더운 바람이 나오는 것은 안에서 빼낸 열과 기계가 쓴 에너지가 함께 밖으로 나오기 때문입니다.