에너지의 개념에 대해 이해하기

에너지의 개념에 대해 이해하기

에너지의 개념에 대해 이해하기

우리는 평소에 에너지라는 말을 자주 사용합니다. 그런데 에너지가 뭔가요?라고 물어보면 어떻게 말할 수 있을까요? 대략 감으로는 아는데 막상 설명하려니 힘듭니다 사전을 찾아보면 일을 할 수 있는 능력이라고 나옵니다. 옛날에 사람들이 물이 높은 곳에서 낮은 데로 떨어지는 것을 보고 저 물의 힘을 이용해서 뭔가 할 수 있겠다고 생각하고는, 물레방아를 만들고 그 도는 힘으로 곡식을 찧었죠. 또 바람이 불면 날개가 돌아가는 것을 보고 그 힘을 이용해서 물을 퍼내거나 또 다른 일을 할 수 있다는 것을 알아냈습니다. 높은 곳에 있는 물 , 그리고 움직이는 바람은 뭔가를 가지고 있어서 우리가 원하는 일을 하는데 이용할 수 있는데, 그 뭔가가 바로 에너진 것입니다. 자연에서 발견되는 에너지를 잘 사용하면, 사람이 직접 일하지 않아도 된다는 게 아주 매력적으로 다가왔겠죠. 하지만 이 자연의 에너지는 문제가 있었는데요. 비가 안 와서 물이 마르거나, 바람이 그치면 더 이상 일을 할 수 없다는 것이었습니다. 그래서 에너지를 다른 데서도 찾기 시작했습니다. 그러다가 눈에 띈 것이 바로 증기의 힘이었죠. 물을 끓이면 거기서 나오는 수증기가 팽창하는 힘이 대단하다는 것을 발견했습니다. 어떻게 하면 이 수증기의 힘을 이용할 수 있을까요? 원래 생각나는 것은 풍차나 물레방아를 만들어서 김이 나오는 곳 앞에 갖다 대 가지고 회전을 시키는 것인데 원래 생각해봐도 힘이 너무 약해서 그다지 쓸모가 없을 것 같습니다. 김이 밖으로 새 나가지 않도록 밀봉하면 훨씬 더 큰 힘을 얻을 수 있습니다.

증기기관

물을 끓이고 거기서 나오는 증기가 피스톤을 들어 올릴텐데 여기에 무거운 물체를 얹어 놓으면은 이 증기의 힘으로 물체를 들어 올릴 수가 있게 되겠죠. 이런 식의 생각을 계속 발전하다 보니까 나중에 등장한 것이 바로 증기기관 1765년 제임스 그동안 여러 사람이 내놓은 아이디어를 개량해서 실용적인 엔진을 만들었습니다. 여기 큰 솥에 물을 담고요. 이 석탄으로 이 물을 끓이면 그 힘으로 자동차가 움직인다는 거죠. 제가 그런 증기기관 모형을 하나 가지고 왔습니다. 자, 여기 솥에서 나온 증기가 관을 통해서 들어와 가지고요. 여기 있는 피스톤을 뒤로 쭉 밀게 됩니다. 그러면 그 힘에 의해서 바퀴가 이만큼 굴러가는거죠. 근데 이제 바퀴를 계속 굴리려면 피스톤을 앞으로 밀어줘야 되는데, 그럴려면은 이 공기를 뒤로 넣어줘야 됩니다. 그렇게 하기 위해서 여기 '밸브'라고 불리는 것을 앞으로 잡아당겨서, 이 뒤에 구멍을 내고요. 이 구멍으로 증기를 보내면은 피스톤을 앞으로 밀게 됩니다. 그래서 이 피스톤이 왔다 갔다 하는 타이밍에 맞춰가지고, 누군가가 이 밸브를 앞뒤로 왔다 갔다 해 줘야 되는 거죠. 이걸 자동차 운전자에게 하라고 굉장히 번거로운 일이 되겠죠. 그러다가 좋은 아이디어가 떠올랐습니다. 어차피 바퀴가 굴러가고 있으니까, 그 바퀴의 굴러가는 힘을 이용해서 이 밸브를 움직이자 라는 거죠. 그것 때문에 이렇게 복잡한 크랭크가 탄생한 겁니다. 보시면 이 바퀴가 굴러갈 때마다 자동적으로 이 밸브가 앞뒤로 움직이면서, 적당한 타이밍에 피스톤을 앞으로 밀었다가 뒤로 밀었다가 이렇게 해주는 걸 볼 수가 있습니다. 이제 이렇게 잘 만들고 나면은 이 구멍으로 증기만 계속 집어넣어 주면 바퀴가 계속 굴러간다는 거죠. 물을 지금 끓일 수는 없으니까 제가 대신 펌프로 공기를 집어넣어 보겠습니다. 이렇게 증기로 움직이는 자동차를 타고 가다가 목적지에 다 왔다고 해 봅시다. 차를 멈춰야 되는데 어떻게 해야 될까요? 물이 더 이상 끓지 않도록 불을 꺼야 될까? 그렇지 않고요. 이 기어를 살짝 이렇게 뒤로 움직여주면 바퀴가 돌더라도 더 이상 밸브가 움직이지 않는 상태가 됩니다. 그래서 바람이 들어오더라도 바람이 그냥 뒤로 샐 뿐이지 바퀴는 굴러가지 않는 거죠. 이게 일종의 브레이크 역할을 해주는 겁니다. 이 기어를 뒤로 한 칸 더 움직이면 , 이게 미세 조정을 잘해야 되는데 지금은 좀 잘 안되지만, 이 상태에서는 증기가 주입될 때 바퀴가 반대 방향으로 구르게 되어있습니다. 그래서 이 단순한 기어 하나를 가지고 전진, 후진 그리고 정지가 가능하게 되는 것입니다.

에너지의 측정 원리와 방법

이거 괜찮은 아이디 어지 않습니까? 이렇게 증기기관이 발명됨으로써 이제부터는 언제든지, 물 하고 땔감만 있으면 바퀴를 움직일 수 있었고요. 이제 자동차를 움직이는 것뿐만 아니라, 이 바퀴의 회전을 가지고 무거운 돌을 올린다던지 망치를 내려친다던지 곡식을 간다던지 다양한 일을 할 수 있게 되었습니다. 거기서 1차 산업혁명이 시작됩니다. 증기기관은 그 이후로 계속 계량돼서 성능이 향상되고, 활용영역도 늘었났을 텐데요. 그런 과정을 거치다 보면 자연스럽게 에너지가 무엇이냐? 에너지를 어떻게 측정할 수 있냐? 에 대한 명확한 개념이 필요하게 됩니다. 예를 들어서 누군가가 새롭게 증기기관을 만들어서 다른 사람한테 소개하는데 , 예전 모델보다 몇 배는 더 훌륭합니다. 이렇게만 말하면 너무 추상적이겠죠. 이 제품은 최대 몇 마력 힘을 내고, 석탄 1kg을 가지고 1시간에 얼마만큼 일을 할 수 있다. 이런 식으로 이 기계의 성능을 수치적으로 구체화할 수 있어야 합니다. 그래서 에너지에 대한 과학이 발달하게 되는데요. 여기서 에너지와 관련된 세 가지 물리량에 대해서 이해하고 가는 게 좋을 것 같습니다. 그 세 가지는 힘, 에너지 그리고 일률입니다. 이게 1리터 용기라고 해 봅시다. 여기에 물을 가득 채우면 물의 질량이 1kg입니다. 1kg을 지구가 당기는 힘 이 약 10 유턴입니다. 여기 12 곱해진 이유는 지구의 중력 가속도가 9. 8이라서 그렇습니다. 만약 여러분이 지구에서 한 팔로 월 20 m 20개를 들 수 있다면, 여러분의 팔이 낼 수 있는 힘이 200N이 되는 거죠. 이제 1kg의 물건을 1m 위로 올리라고 하면은 그때 제가 한 일이 1N곱하기 1m 해서 10줄이 됩니다. 이 일을 하는데 필요한 에너지가 10줄이라고 말합니다. 똑같은 물체를 2미터 올리려면 20줄이 필요하겠죠. 그게 에너지가 되는 것입니다. 그런데 물 1 kg을 1m 올리는데, 어떤 친구는 1초 만에 올리고 어떤 친구는 2초가 걸린다고 해 봅시다. 두 사람의 경우에 한 일은 갖고 사용한 에너지도 같지만, 같은 일을 얼마나 짧은 시간에 할 수 있는지 나타내고 싶기 때문에 그때 '일률'이라는 단위를 사용합니다. 만약 2초 동안에 이 일을 한다면 일률이 5와트가 되는 것입니다. 그럼 간단한 퀴즈를 한번 풀어 보겠습니다. 만약 어떤 사슬이 있는데 , 이 사슬이 끊어지지 않고 버틸 수 있는 최대의 힘이 3000이라고 한다면 그 단위는 뭐라고 표시될까요? 네 , 힘이니까 아마 뉴튼이겠죠. 또는 이 사슬 가지고 300kg까지 들 수 있다고 해가지고 300kg 중 이렇게 표시할 수도 있습니다. 여러분이 전자제품을 구입하면 거기에 반드시 소비전력이라는 것이 표시되었습니다. 만약 에어컨에 소비전력이 2000이라고 쓰여있다면 그 단위가 뭔지 확인해 보십시오. 단위가 w라고 쓰여 있는데 이게 와트입니다. 또는 2kw(킬로와트)라고 쓰여있을 수도 있습니다. k가 1000을 의미합니다. 이 말은 에어컨 실외기가 가동하고 최대 에너지를 사용하고 있을 때, 매 초당 2000줄의 전기에너지를 사용한다는 뜻입니다. 2000줄은 200kg의 물체를 매초당 1m씩 올리는 정도죠. 그 정도 에너지를 에어컨이 사용하는 겁니다. 여러분이 사용한 전기에너지 대해서 요금을 낼 때 그 요금 비욜을 요율이라고 하는데요. 집에서 여러분이 전기를 3000줄 정도로를 사용했다고 해 봅시다. 여러분은 전기 요금을 얼마나 내야 될까요? 이 3만 줄이라는 것은, 2000와트 에어컨을 15초 동안 켤 수 있고요. 또는 300kg짜리 물체를 10m 위로 올릴 수 있는 에너지에 해당하는데요. 여러분이 에너지 관리공단에 있다고 하면, 국민들한테 얼마 정도를 지불하라고 해야지 합리적이라고 생각합니까? 제가 주변 사람들한테 물어보니까, 한 50원 200원 이 정도면 적당할 거라고 말하더라고요. 물론 이제 누진세가 있어서 얼마라고 딱 잘라서 말하기는 어렵지만, 대략 우리는 1원을 냅니다. 우리가 단돈 1원을 내고 전기에게 엄청난 일을 시키고 있는 거죠. 객관적으로 이 수치만 놓고 본다면 , 전기 요금이 결코 비싸다고 말하기는 어려울 것 같습니다. 여러분이 한 달 동안 우리 집에서 얼마만큼의 전기에너지를 썼는지 알고 싶어서 집에 오는 전기요금 고지서를 보시면 아무리 찾아봐도 몇 줄의 에너지를 썼는지는 나와 있지 않고요. 다만 '킬로와트시 kwh'라고만 쓰여있습니다. 여기서 k는 1000, w는 전력인 와트, h는 시간 hour(아워)의 약자입니다. 즉, 이 고지서에 있는 것처럼 당월에 사용한 양이 340 kwh라는 것은 340 와트의 전력을 약 1000시간 동안 사용했다는 뜻입니다. 1 kwh를 만약 줄로 바꾸고 싶다면, 한 시간을 3600초로 계산해서 곱해주면 됩니다. 그러면 3600000줄이라는 것을 알 수가 있죠. 앞에서 설명한 것처럼 줄도 에너지 단위이고요. 'wh' 또는 'kwh'도 에너지 단위의 일종입니다. 그 외에도 또 '칼로리'라는 단위도 있습니다. 1kcal는 1 kg의 물의 온도를 1도 올리는데 필요한 열에너지입니다. 과거에는 열과 에너지를 서로 다른 것으로 취급했기 때문에, 서로 다른 단위를 사용했죠. 이젠 여러분이 이 두 단위 모두 에너지를 나타낸다는 것을 알고 있는데, 10줄의 에너지와 1kcal 에너지 중 어느 쪽이 더 클 것 같습니까? 다시 말해서 여러분에게 1kg의 물을 1m 올리라고 하는 것과 물을 흔들어서 온도를 1도 높이라고 하는 것 어느 것이 더 어려운 일이 될 것 같습니까? 아무래도 1도 올리는 게 더 어렵게 느껴지겠죠. 사실 이 둘은 엄청난 차이가 있습니다.