에너지

 


1. 어원
2. 물리학
2.5. 운동량과의 차이점
2.6. 에너지의 단위와 예시
2.7. 에너지 분석
2.8. 문서가 있는 에너지들
3. 전력을 만들어내는 자원
3.1. 관련 문서
4. 신체능력
5. 창작물에 등장하는 미지의 힘, 물질, 파동
5.1. 관련 문서
6. 기타 "에너지"가 제목에 들어가는 문서

  • 영어: Energy
  • 일본어: エネルギー, エナジー

1. 어원

본디 Energy의 어원인 그리스어 Ενέργεια(에네르게이아)는 운동, 활동, 힘 등의 뜻을 가지고 있는 말인데, 물리학이 발전하게 되면서 18~19세기에 물리 현상 전반에 내재된 본질적인 개념의 필요성이 대두되며 일#s-4을 할 수 있는 능력이라는 정의부터 시작해, 추상적으로는 질량에 부여된 특정한 스칼라량이라는 정의도 붙게 되었다. 하지만 어느 것도 제대로 에너지에 대한 직관적인 이해를 주기는 어려워서, 대부분 처음 들었을 때부터 물리학을 공부하기 시작할 때까지 '''"뭐지 이 뜬금없는 개념은!"'''같은 생각이 들며 에너지의 본질성을 이해하지 못한다. 뿐만 아니라 운동량이라는 개념과 혼동하기 매우 쉽다. 과학과 그다지 친하지 않은 대부분의 매체에서는 에너지라는 개념을 보통 생각하는 힘의 원천 비스무리한 것으로 생각하고 사용한다.

2. 물리학

에너지는 운동량과 더불어 물리학에서 가장 본질적인 개념 중 하나이다. 각 역학 이론들은 에너지를 어떻게 정의하냐에서 시작한다고 볼 수도 있다. 뉴턴역학부터 시작하여 새로운 역학이 등장함에 따라 에너지의 정의는 점차 확장되어 왔다.

2.1. 뉴턴 역학

기본적으로 에너지의 개념은 '일'과의 관계로 설명할 수 있다. 아래의 수식은 일이 운동에너지의 차이임을 나타낸다. 즉, 어떤 물체에 일을 해주면 운동에너지가 바뀐다는 점을 알려준다.
$$ W = \Delta E_k = \frac{1}{2}m{v_f}^2 - \frac{1}{2}m{v_i}^2$$
일은 (그리고 위의 수식에 따라 에너지 또한) 일반적으로 다음과 같은 선적분으로 정의된다. 즉, 특정 경로 C를 따라서 각 위치에서 물체에 가해진 힘과 매우 작은 변위의 내적 $$\mathbf{F} \cdot d \mathbf{r}$$를 모두 더한 것이다.
$$ W = \displaystyle \int_{C} \mathbf{F} \cdot d \mathbf{r} $$
수식에 익숙하지 않은 위키러들을 위해 식을 더 간단하게 만들자면, 일차원에서 일은 다음과 같이 써도 무방하다.
$$ W = \displaystyle \int_{x_1}^{x_2} F(x) \ dx$$
위 두 식은 본질적으로는 일이 힘의 위치에 대한 적분임을 나타낸다.
일과 에너지는 서로 정적분과 부정적분의 관계를 형성한다. 에너지는 힘의 위치에 대한 부정적분이며 일은 힘의 위치에 대한 정적분이라고 생각하면 이해에 도움이 된다.
에너지는 운동량과 더불어 물리학에서 가장 기본이 되는 물리량이다. 에너지 보존 법칙은 닫힌 계에서 에너지의 총량은 일정하다는 점을 말해준다. 에너지가 여러 가지 형태로 존재할 수는 있지만 다 합하면 일정하다는 뜻이다. 이러한 보존법칙의 중요성은 특정 조건(닫힌 계)을 만족하는 임의의 계에 대해 성립한다는 점에서 대두된다. 쉽게 말하자면, 지구부터 시작해서 작은 입자들의 세상, 그리고 넓게는 우주까지 이 '계'의 범위를 조정할 수 있기 때문에 범우주적인 법칙이라고 할 수 있다. 이러한 이유로 에너지의 개념은 물리학에서 매우 중요하게 다루어진다.

2.2. 라그랑지언과 해밀토니언 역학

공학 이상의 교육과정에서 흔히 보이는 라그랑지언 $$\mathscr{L}$$ 및 해밀토니안 $$\mathcal{H}$$이라는 양이 물체의 에너지와 관련된 양이다. 라그랑지안은 퍼텐셜과 운동 에너지의 차이, 해밀토니안은 둘의 합[1]을 의미. 에너지가 스칼라이기 때문에, 계산이 벡터인 힘을 직접 사용해 물체의 운동을 구하는 것보다 쉬워지는데, 예를 들면 라그랑지안에 최소작용원리를 적용하면 '''힘의 작용점 분석 없이도 힘에 대한 식(운동방정식)이 얻어진다.''' 그렇기 때문에 개념상으로도 중요한 양들이다. 뭐 굳이 대학교 과정까지 안 가고, 중고등학교 수준 정도만 되어도 에너지(보존)만 적당히 이용하면 뉴턴 방정식 없이도 수많은 형태에서의 운동 방정식을 구할 수 있다.

2.3. 상대성이론

상대성이론이 등장한 이후 질량과 에너지는 정확히 일정한 양으로 변환시킬 수 있다는 질량-에너지 동등성이 알려졌다. 다시 말해서 '''정해진 양의 질량은 언제나 같은 양의 에너지로 변환되며 그 역도 성립한다'''는 것. 또한 본격적으로 4차원의 관점이 쓰이면서 에너지, 운동량, 밀도, 유량 등을 하나로 묶은 에너지-운동량 텐서가 도입된다.

2.4. 양자역학

양자역학에서는 해밀토니안에서의 최소 시간 원리 같은 관점이 발전적으로 사용되면서 에너지와 운동량을 연산자로 정의한다. 또한 입자의 운동량과 위치를 동시에 알 수 없다는 불확정성 원리는 에너지와 시간에 대해서도 동시에 성립한다.
20세기에 에미 뇌터에 의해 증명된 뇌터 정리는 물리 법칙의 보존법칙이 존재한다면 그에 따른 물리적 대칭성이 존재한다는 정리이다. 그중 에너지에 대해서는 에너지가 보존되면 시간에 대한 물리법칙의 대칭성이 존재하며, 역으로 물리법칙이 시간에 대한 대칭성이 존재하면 에너지가 보존된다는 내용이 존재한다. 다시 말해 에너지 보존 법칙이 성립한다면 물리 법칙이 시간에 따라 변하지 않는다는 뜻.

2.5. 운동량과의 차이점

운동량과 에너지는 자주 혼동된다. 하지만 이들을 자세히 비교/대조하면 공통점과 차이점을 더 분명히 파악할 수 있다. 에너지와 운동량은 위치에 대한 적분인지 시간에 대한 적분인지의 여부에 따라 구분될 수 있다.
운동량의 변화량 $$ \Delta \mathbf{p} $$ (또는 충격량 $$ \mathbf{J} $$는) 이렇게 정의된다.
$$ \mathbf{J} = \Delta \mathbf{p} = \Delta (m\mathbf{v}) = \displaystyle \int_{t_1}^{t_2} \mathbf{F}(t) \ dt $$
즉, 일(에너지)은 힘의 위치에 대한 적분인 반면, 운동량은 힘의 시간에 대한 적분이다.
또한, 충격량이 힘의 시간에 대한 정적분이고 운동량이 힘의 시간에 대한 부정적분라고 생각해도 무방하다.
에너지 보존 법칙과 비슷하게 운동량 보존 법칙도 있다. 운동량 보존 법칙은 외력이 작용하지 않는 어떤 계에서 운동량은 일정하다는 것을 알려준다. 이것은 뉴턴 법칙과 관련지어 생각하면 이해하기 쉽다. 뉴턴의 제2 운동법칙 $$ \mathbf{F} = m \mathbf{a} $$는 일반적으로 $$ \mathbf{F} = \frac{d}{dt} (m \mathbf{v}) $$이다. $$ \mathbf{F} = 0$$이면 $$ m \mathbf{v}$$는 변화하지 않으므로 일정하다.

2.6. 에너지의 단위와 예시

  • 일이나 에너지의 SI 단위는 Joule이다. 기호는 J. 정의는 N×m = kg×m2/s2. 에너지(특히 전기) 관련한 단위에서 뜬금없이 킬로그램이 등장하게 만든 원흉(?)이기도 하다.
  • 돌림힘과 단위가 같다. 하지만 일(에너지)과 돌림힘은 전혀 다른 물리량이며, 돌림힘의 단위로는 J을 사용하지 않는다.
  • 1 kJ(kiloJoule) = 103 J = 1010 erg = 239 cal = 0.239 kcal = 0.94782 BTU = 0.277778 watt hour
  • 1 MJ(MegaJoule) = 106 J = 239 kcal = 947.8 BTU = 0.2777778 kWh
  • 칼로리는 1 그램의 물의 온도를 섭씨 1도 올리는 데 필요한 에너지이다. 1 cal 는 약 4.184 J이고, 약 1.163 mWh에 해당한다
  • 1 kcal은 약 4.184 kJ이다.
  • 영국열량단위(British Thermal Unit)는 옛날에 영국에서 많이 쓰이던 열량단위로 1 파운드의 물을 화씨 1도 올리는 데 필요한 에너지이며 1 BTU는 약 1.05506 kJ이다.
  • 와트는 일률의 단위로 1 초당 1 줄의 일을 할 때의 일률이다. 와트는 에너지 단위가 아니고 일률 즉 에너지 생성/소모의 속도의 개념이다. 다시 말해서 1 J의 에너지를 1초 동안에 모두 소모하는 정도의 꼬마전구는 1W 전력이라고 할 수 있다.
  • 와트시는 1 와트의 일률로 1시간 동안 가해진 일의 양, 즉 에너지 이다. 1 Wh는 정확히 3600 J(= 3.6 kJ)이다.
  • 킬로와트시는 1000 와트시이다. 1 kWh는 정확히 3600 kJ (= 3.6 MJ) 와트시나 킬로와트시는 에너지의 단위이다.
  • 마력은 말의 성능을 재려고 만들어졌으나 현대에는 자동차와 내연기관의 일률을 나타낸다. 그러므로 마력은 에너지 단위가 아니라 W와 같은 일률의 단위이다. 1 프랑스마력(PS)은 735.49875 와트(0.735 kW)에 해당한다. 보통 인간의 지속적 노동력은 대충 60-100 와트 정도. 말 한 마리는 0.5 kW 정도, 승용차는 대충100- 150 kW가량이다.
  • 전자볼트는 전자 하나가 1볼트의 전기장에서 얻는 에너지로 정의되며 단위는 eV다. 1 J은 약 6.24×1018 eV이고 1 eV는 1.6022*10-19 J.
  • 에르그는 SI가 아니라 CGS 단위계에서 쓰이는 일의 값으로 1 cm 길이에 1 dyne의 힘이 해낸 일의 양이다. 1 erg 는 10-7 J 이다.

  • 100 그램[2] 정도의 물체를 1 미터 가량 들어 올리기 위해 1 J이 필요하다.
  • 또는 66그램 특란 계란 하나를 1.5 미터 높이에서 떨어뜨릴 때 운동 에너지로 변환되는 퍼텐셜 에너지도 1 J이다.
  • 메이저리그 강속구 투수가 던진 야구공의 에너지는 약 140 J이다.
  • 정상급 프로 골퍼가 친 드라이브 샷은 150 J이다.
  • 스포츠나 호신용 작은 권총인 0.22 권총탄의 에너지는 170 J 정도이다.
  • 1L의 물을 24도 정도 데우려면 1만 줄 = 10 KJ이 필요하다.
  • 25와트 전구형 형광등을 1시간 켜면 25×3600(초) = 90 KJ이 필요하다.
  • 인간은 청년 남자 기준으로 하루에 대략 1800 kcal = 7.5 MJ (= 2 kWh), 시간당 314 kJ 소모.
  • 70kg인 사람이 5 km/h 의 속도로 1시간 걷기 운동을 할 경우, 소비 열량은 약 230 kcal = 960 kJ 이다.
  • 70 kg의 사람이 축구 1시간 뼈빠지게 하면 500 kcal (= 2 MJ = 0.58 kWh) 정도 소모한다.
  • 5.56mm NATO 소총탄이 가하는 에너지는 1,796 J이고, 9 mm 권총탄은 519 J 정도이다.
  • 스마트폰의 3,000 mAh 리튬 폴리머전지는 약 40 kJ 정도.
  • 10,000mAh짜리 스마트폰 보조 배터리는 약 130 kJ 정도.
  • 가벼운 노트북의 리튬 배터리는 보통 50 Wh 정도이고 180 kJ에 해당된다.
  • 에탄올은 리터당 23.5 MJ의 에너지를 가지고 있다.
  • 휘발유 1 리터당 34.8 MJ (= 9.67 kWh), 1 kg 당 44.4 MJ.[3]
  • 도시가스는 제곱미터당 54 MJ (= 15 kWh) = 정도.[4][5]
  • 모기가 충돌하는 에너지는 약 4.334 TeV이다.
  • TNT 1 kg이 내는 에너지는 1000 kcal로 정의했으며 약 4.184 MJ (=1.162 kWh) 이다. 에너지로는 같은 양의 휘발유의 1/10 밖에 안된다.
  • 히로시마 원자폭탄이 폭발하는 에너지는 63 TJ로 TNT 15000톤과 맞먹는다.[6]

2.7. 에너지 분석

$$\Delta K + \Delta U + \Delta E_{int} = W + Q + T_{MW} + T_{MT} + T_{ET} + T_{ER}$$

고전역학에서 쓰이는 비고립계에서의 에너지 분석 모형 풀버전. $$\Delta K$$는 운동 에너지의 변화량, $$\Delta U$$는 퍼텐셜 에너지의 변화량, $$\Delta E_{int}$$은 내부 에너지의 변화량이며, $$W$$는 외부에서 계에 작용한 일, $$Q$$는 열, $$T_{MW}$$는 역학적 파동, $$T_{MT}$$는 물질 이동, $$T_{ET}$$는 전기 송전, $$T_{ER}$$은 전자기 복사이다.
여기서 알 수 있듯이 실제로 에너지의 개념으로 쓰이는 것은 운동 에너지, 퍼텐셜 에너지, 내부 에너지 등, 물질 자체에 일을 할 수 있는 능력으로 지정된 값이며, 우변에 있는 것은 에너지의 전달과 발산으로 쓰이는 개념이다. 대표적인 것이 일과 열.

2.8. 문서가 있는 에너지들


3. 전력을 만들어내는 자원

석유, 석탄, 원자력, 수력 등 전기와 동력을 만드는 자원을 에너지 자원이라 부른다. 현대 인류 문명에서 가장 중요한 것이 이런 의미의 에너지이며, 20세기 말~21세기의 전쟁은 사실상 모두 에너지를 차지하기 위한 전쟁이라 해도 틀리지 않는다. 21세기에는 화석에너지(석유, 석탄)가 매장량 및 환경문제 등 그 한계성이 점점 명백해짐에 따라, 이를 대체할 바이오 에너지(주로 곡물성 유기화학제품) 및 신재생에너지(태양광 발전, 풍력 발전 등)가 향후 에너지 마켓을 좌우할 새로운 변수로 대두되고 있다.

3.1. 관련 문서


4. 신체능력

사람의 체력이나 기력, 지구력 등을 에너지로 지칭하기도 한다. 활발한 신체 활동을 장시간 지속해도 지치지 않는 사람을 "에너제틱하다(energetic, 에너지가 많다)"고 하거나, 특별한 신체 이상이 없음에도 기운이 없는 경우 "에너지가 낮다"고 하기도 한다.
에너지 드링크의 에너지도 이 의미다.

5. 창작물에 등장하는 미지의 힘, 물질, 파동

마나, 마력, 기, 포스, 사이오닉 등 초월적이고 신비한 물질 혹은 파동을 에너지라 부른다. 에너지가 의지를 가지고 에너지 생명체가 된다고도 묘사한다.
가끔 '순수한 에너지'란 개념도 서브컬쳐에서 나온다. 하지만 에너지는 어떠한 일/현상에서 '''관측될 수 있는 물리량'''의 개념이다. 현상으로부터 독립된 '''순수한''' 에너지 따위는 없다. "순수한 각도"나 "순수한 무게"라는 게 없는 것과 마찬가지.
가공의 에너지 문서에서 더 자세히 다룬다.
에너지들을 자유자재로 다루는 능력은 에너지 조작 항목 참조

5.1. 관련 문서


6. 기타 "에너지"가 제목에 들어가는 문서


[1] 두 개를 더한 거니까, 제대로 공부하지 않고 언뜻 보면 중, 고등학교 과정에서 나오는 역학적 에너지와 같다고 생각할 수 있는데, 엄밀히 따지면 의미만 같을 뿐, 역학적 에너지가 맞아도 해밀토니안이 아닐 수 있다. 해밀토니안 역시 퍼텐셜 에너지와 운동 에너지의 합인 건 맞는데, 반드시 식 안의 변수가 운동량과 위치, 시간으로만 이뤄지도록 나타내야 한다.(속도를 쓰면 안 된다.) 즉, 예를 들어 일반물리 수준에서 가장 쉽게 볼 수 있는 $$\displaystyle E = {1 \over 2} mv^2 + mgh$$는 식 안에 속도가 들어있으므로 그냥 역학적 에너지를 나타낸 것일 뿐 해밀토니안이 아니다. 이걸 $$\displaystyle \mathcal{H} = {p_y^2 \over 2m} + mgy $$같이 써야 비로소 해밀토니안이 되는 것이다. 참고로 라그랑지안의 경우에는 반대로 식 안에 운동량이 들어있으면 안되고, 순수하게 속도, 위치, 시간 성분만 들어있어야 한다.[2] 중간 크기 토마토의 무게 정도.[3] 가정용 실내 등유 리터당 850원이면 MJ 당 대충 24원.[4] 가정용의 가격은 MJ 당 17원 정도.[5] 전력은 한국 가정용 평균이 kW 당 123원이니까 MJ 당으로는 34원 정도니 가스보다 2배 정도 비싸다.[6] 질량 0.7g에 해당하는 에너지이기도 하다.(E=mc^2)

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