열역학 제1법칙 에너지 보존 법칙 쉽게 이해하기

에너지 보존 법칙이란?

눈에 보이지 않는 에너지를 '뭐다'라고 정의하기는 굉장히 어렵습니다만, 막막하지만 굳이 이야기를 시작해 보자면, 일단 자연의 법칙이란 우리가 마음대로 어쩔 수 있는 것이 아니랍니다

그래서 사실 우리는 자유롭지 않은 존재일 수도 있습니다. 우리는 우리가 사는 이 자연에 섭리에 묶여있는 존재이기 때문입니다

인류가 발견한 자연의 속성에는 마치 일관된 법칙이 존재하는 것 같아 보입니다

관성의 법칙이라던지, 엔트로피, 상대성 이론이라던지 우주에 에너지는 일정한 법칙을 갖고 움직입니다

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제1법칙 관성의 법칙 (운동 = 에너지 = 질량 = 존재)

 

과학자들은 이러한 법칙을 발견만 할 뿐, 인간이 아무리 애를 쓴다 한들 이 법칙을 수정하거나 삭제시킬 수는 없습니다

우리가 할 수 있는 것은 단지 이 발견된 법칙을 응용만 할 수 있을 뿐입니다

 

그리고 이러한 에너지의 가장 중요한 속성은 바로 보존된다는 것입니다

자연에 존재하는 에너지는 변화만 가능할 뿐이지 생성되거나 파괴되는 것이 불가능합니다

이렇듯, 에너지가 보존된다는 점이 가장 중요하기 때문에 열역학에서는 에너지 보존 법칙을 제1법칙이라고 정의를 내렸습니다

에너지

과거에 인류가 뭔가 보존되는 영원한 것을 찾기 위해서 질문을 계속 던지다 보니 에너지라는 개념이 만들어진 것입니다

이러한 점에서 과학과 철학은 절대적이고 보편적인 것을 탐구한다는 관점에서 본질적으로 같다는 것을 알 수 있습니다

두 학문 모두 그 시원이 고대 그리스의 자연철학이기 때문입니다

 

고대 그리스 철학자들에게 에너지는 형이상학적인 이데아와 같은 개념인데, 직관적으로 너무 당연하게 존재해야 할 것이라고 생각하다 보니 '이 세상의 뭔가 보존되는 것이 있을 것'이라는 믿음으로 관찰과 실험을 계속하게 됐고, 결국 훗날에 우리가 에너지를 발견했다는 것에 가깝습니다

실제로 근대철학의 아버지라 불리는 데카르트는 철학자이자 위대한 과학자이기도 하였습니다

 

그러니까 굳이 결론을 내서 철학적으로 정리하자면, '뭔가 이 세상에 영원한 게 있긴 있다. 그게 바로 에너지다'라고 말할 수 있겠네요

 

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추상적인 얘기는 관심 없고, 그래서 에너지가 구체적으로 뭔데?

 

서론에서 에너지는 어떤 속성을 가지고 있는지, 그리고 왜 사람들에게 에너지라는 개념이 필요로 했는지 알아봤습니다

구체적으로 현실세계에서 에너지의 역할이 무엇인지 알아보도록 하겠습니다

 

일상생활에서 에너지는 일을 할 수 있는 능력을 말합니다

물리학적인 단위는 일의 단위와 같은 J(줄)를 사용합니다

지금 당장 몇 가지 에너지의 종류와 그 특징을 알아보도록 합시다

1. 운동에너지

운동하는 물체가 가지는 에너지입니다

2. 퍼텐셜 에너지

기준면보다 높은 곳에 있는 물체가 가지는 에너지입니다

3. 역학적 에너지

운동에너지와 퍼텐셜 에너지를 합한 에너지입니다

4. 전기에너지

전기에너지란 전하의 이동에 의해 발생하는 에너지입니다

5. 화학 에너지

화학 결합 속에 보존되어 있는 에너지로 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료와 음식물 속에 저장되어 있는 에너지입니다

6. 열 에너지

물질의 온도나 상태를 변화시킬 수 있는 에너지입니다

7. 핵 에너지

원자단위에서 핵분열이나 핵융합 시 발생하는 에너지입니다

8. 파동에너지

소리나 음파와 같은 파동 자체가 가지고 있는 에너지를 말합니다

9. 빛에너지

빛의 형태로 전달되는 에너지를 말합니다

 

 

위에 설명한 모든 형태의 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 바뀔 수 있고, 이것을 에너지 전환이라고 합니다

자연과 우리들의 일상생활에서 일어나는 모든 현상은 에너지가 변화되는 과정입니다

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자연에서 에너지가 변화하는 예

1. 광합성

빛에너지가 화학에너지로 전환되는 과정이며, 세포에서 일어나는 호흡은 화학 에너지가 생명체에 필요한 열에너지와 운동에너지로 전환되는 과정입니다

 

2. 태풍

태양열에 의해 바닷물이 증발하여 구름이 생성되고 비가 오는 것으로 태양의 열에너지가 구름 비 등의 역학적 에너지로 변화되는 과정이라고 볼 수 있습니다

 

3. 지진

지구 내부의 열에너지가 맨틀과 판의 운동에너지로 전환된 후 판의 충돌 등에 의해 다시 파동 에너지로 전환된 것입니다

 

4. 화산

지구 내부의 열에너지가 용암이나 화산 기체의 역학적 에너지로 전환된 것입니다

 

5. 반딧불이의 불빛

생명체 내에 저장되어 있던 화학에너지가 빛 에너지로 전환된 것입니다

 

6. 폭포

높은 곳에 있는 물의 위치에너지가 운동에너지로 전환된 것입니다

 

 

에너지 보존 법칙과 무한동력이 불가능한 이유

이렇듯 특정 형태의 에너지가 다른 형태로 변화하는 과정에서 감소하는 에너지의 양과 증가하는 에너지의 양은 항상 동일합니다

따라서 전체 에너지의 총량은 항상 일정하게 보존되며 이것을 에너지 보존 법칙이라고 합니다

 

이렇게 에너지의 총량은 변하지 않는다는 사실을 봤을 때, '그렇다면 에너지가 양이 줄지 않으니 무한대로 사용할 수 있지 않을까?'라는 의문이 들기 마련입니다

하지만 에너지는 전환되는 과정에서 항상 일부의 열에너지 형태로 전환되고, 변환된 열에너지는 재사용하기 어려운 특징이 있습니다

'왜 이러한 현상이 일어나는가?'를 알려면 열역학 제2의 법칙인 엔트로피의 법칙을 이해하여야 합니다

 

결론적으로 에너지를 무한적으로 사용할 수 없기 때문에 우리는 항상 열을 내서 일을 하면 음식을 먹어서 에너지를 보충해줘야 하고, 일을 하며 생성된 열을 식히기 위해 쉬어야 합니다. 또 자동차의 휘발유를 지속적으로 채워주어야 하는 근거가 됩니다

비록 에너지 보존법칙에 의하여 에너지가 파괴되는 일은 불가능하겠지만, 지구상에서 끊임없이 에너지를 아끼자는 개념이 등장하게 된 이유입니다

 

 

 

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