에너지란 무엇일까

1줄(J)은 100 g 사과를 약 1 m 들어 올리는 에너지입니다. 시속 90 km로 달리는 1,000 kg 자동차에는 그 31만 배쯤이 들어 있습니다.

에너지는 무언가를 바꿀 수 있는 능력입니다

굴러가는 공, 잡아 늘인 고무줄, 따뜻한 찻잔, 충전해 둔 휴대전화 배터리에는 한 가지 공통점이 있습니다. 넷 모두 다른 무언가에 어떤 일이 일어나게 만들 수 있습니다. 무언가를 밀 수도 있고, 들어 올릴 수도 있고, 데우거나 불을 밝힐 수도 있습니다. 물리학자들은 이 능력에 에너지(energy)라는 이름 하나를 붙이고, 줄(J)이라는 단위 하나로 잽니다. 줄이라는 단위 이름은 제임스 프레스콧 줄에게서 왔습니다. 줄은 1840년대에 역학적인 일과 열이 사실은 같은 양이 두 가지 모습으로 나타난 것이라는 사실을 보였습니다.

1줄은 그리 큰 에너지가 아닙니다. OpenStax 교재에는 떠올리기 쉬운 그림이 하나 있습니다. 1줄이면 100 g짜리 작은 사과 하나를 약 1 m 들어 올릴 수 있습니다. 4단원에서 만나게 될 공식으로 직접 확인해 보면 0.1 kg × 9.8 m/s² × 1 m = 0.98 J로 1에 가깝습니다. 그래서 음식에 들어 있는 에너지는 이보다 더 큰 단위로 셉니다. 음식 1칼로리(kcal)는 4,186 J이고, 어른이 하루에 먹도록 권하는 음식은 약 1.2 × 10⁷ J, 1,200만 줄입니다.

여러 모습, 하나의 양

에너지는 여러 가지 모습으로 나타나고, 각각의 이름은 에너지가 어디에 들어 있는지를 알려 줍니다. 운동 에너지(kinetic energy)는 움직이고 있는 것이라면 무엇이든 가지고 있습니다. 중력을 거슬러 들어 올리면 중력 위치 에너지가 쌓이고, 용수철이나 활을 휘면 탄성 위치 에너지가 쌓입니다. 화학 에너지는 연료와 음식과 전지 속에 저장되어 들어 있습니다. 열에너지는 원자와 분자가 제멋대로 마구 흔들리는 운동이고, 우리는 그 흔들림을 온도로 느낍니다. 전기 에너지는 전선을 따라 흐르고, 복사 에너지는 빛으로 퍼지며, 핵에너지는 원자핵이 쪼개지거나 합쳐질 때 나옵니다.

운동 에너지와 위치 에너지를 합쳐서 역학적 에너지(mechanical energy)라고 부릅니다. 이 둘은 그네나 롤러코스터를 보면 한눈에 알아볼 수 있는 두 가지 에너지이고, 이 과정에서도 가장 많이 다루는 에너지입니다. 나머지 다른 모습의 에너지는 에너지가 역학의 세계를 떠날 때 나타나는데, 그때 가장 흔하게 나타나는 모습은 열입니다.

에너지는 생기지도 사라지지도 않습니다

에너지에 관해 알아 두면 가장 쓸모 있는 사실은 전체 양이 결코 변하지 않는다는 것입니다. OpenStax 교재는 에너지 보존 법칙(law of conservation of energy)을 이렇게 씁니다. 어떤 과정에서든 전체 에너지는 일정합니다. 모습이 바뀌거나 한 계에서 다른 계로 옮겨 갈 수는 있지만 합계는 그대로입니다. 예를 들어 자동차가 브레이크를 밟을 때 차의 운동 에너지가 그냥 사라지는 것이 아닙니다. 그 에너지는 브레이크 원판의 열에너지가 되고, 그래서 브레이크 원판이 뜨거워집니다. 또 휴대전화를 충전하면 전기 에너지가 배터리 속의 화학 에너지가 되고, 나중에 화면의 빛과 열이 됩니다.

에너지가 보존된다면 우리는 왜 에너지를 다 써 버렸다고 말할까요? 에너지가 어떤 모습으로 있는지가 중요하기 때문입니다. 공기 중에 온기로 흩어져 퍼진 에너지는 여전히 그곳에 있지만, 다시 모아서 쓰기가 아주 어렵습니다. 석탄을 때는 발전소는 연료 화학 에너지의 약 40%만 전기로 바꾸고, 나머지는 열로 내보냅니다. 5단원에서는 이것을 효율(efficiency)이라는 숫자 하나로 나타내서 잽니다.

줄의 크기: 에너지 눈금

아래 표에는 OpenStax 교재 표 7.1에 실린 값으로 생활 속에서 만나는 에너지 몇 가지를 나란히 놓았습니다. 값의 범위가 엄청나게 넓습니다. 날아가는 모기의 운동 에너지는 약 100만분의 1줄이고, 휘발유 1갤런에는 약 1억 줄이 들어 있습니다. 과학적 표기법을 쓰면 이렇게 크고 작은 숫자도 읽기 쉽게 쓸 수 있습니다. 1.2 × 10⁸은 1.2 뒤로 자리가 여덟 개 이어진다는 뜻으로, 120,000,000입니다.

표에서 자동차가 있는 줄은 여러분이 직접 계산해서 확인할 수 있습니다. 시속 90 km는 초속 25 m이고, 운동 에너지는 ½ × 1,000 × 25² = 312,500 J이므로 반올림하면 3.1 × 10⁵ J입니다. 이 공식이 어디에서 나오는지는 3단원에서 자세히 설명합니다.

에너지는 모습을 바꾸지 않은 채로 다른 곳으로 옮겨 가기도 합니다. 뜨거운 냄비는 열 전달로 손잡이를 데우고, 전지는 전선을 따라 전등으로 에너지를 보내며, 햇빛은 우주 공간을 건너 태양에서 지구로 에너지를 나릅니다. 물리학에서는 이 두 가지 말을 구별해서 씁니다. 전환(transformation)은 화학 에너지가 운동 에너지가 되는 것처럼 에너지의 모습이 바뀌는 것입니다. 전달(transfer)은 에너지가 한 물체나 계에서 다른 물체나 계로 옮겨 가는 것이고, 일(힘이 거리를 따라 작용)이나 열(뜨거운 곳에서 찬 곳으로 흐름)로 일어납니다. 다음 단원에서는 이 가운데 일을 다룹니다.