비에너지

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1. 개요
2. SI 단위와 비 SI 단위
- 2.1. 비 SI 단위 환산표
3. 여러 분야에서의 비에너지
참조

1. 개요

비에너지는 질량 또는 부피당 에너지의 양을 나타내는 개념으로, 다양한 분야에서 사용된다. SI 단위와 비 SI 단위 간의 변환 관계가 있으며, 식품, 연료, 이온화 방사선, 천체역학 등에서 중요하게 다루어진다. 식품의 경우, 비에너지는 칼로리 밀도로도 불리며 탄수화물, 지방, 단백질의 함량과 수분량에 따라 달라진다. 연료의 비에너지는 효율성, 운송 및 보관 용이성을 평가하는 지표로 활용된다. 천체역학에서는 중력 관련 에너지 변화를 분석하는 데 사용되며, 이온화 방사선 분야에서는 흡수 선량과 선량 당량을 나타내는 데 활용된다.

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비에너지
일반 정보
이름	비에너지 (specific energy)
단위	J/kg
다른 단위	kcal/g W⋅h/kg kW⋅h/kg Btu/lb
기호	e
기본 단위	m²⋅s⁻²
차원	wikidata
종류	세기 성질
유도식	e = E / m

2. SI 단위와 비 SI 단위

비에너지는 국제단위계(SI)에서 줄 매 킬로그램(J/kg)으로 표현되지만, 다양한 분야에서 비 SI 단위가 사용되기도 한다. 식품의 비에너지는 "칼로리 밀도"라고도 불리며, cal/g, kcal/g, J/g, kJ/g, cal/mL, kcal/mL, J/mL, kJ/mL 등 다양한 단위로 표시된다.^[14]

식품은 산소와 함께 대사되어 이산화탄소와 물 등의 폐기물을 생성하며, 이 과정에서 방출되는 에너지가 생리적 열량이다. 알코올을 제외한 식품 에너지의 주된 원천은 탄수화물, 지질, 단백질이며, 이들은 식품 건조 중량의 90%를 차지한다.^[15] 탄수화물과 단백질은 4cal/g (17kJ/g), 지질은 9cal/g (38kJ/g)의 비에너지를 갖는다. 따라서 지질 함량이 높으면 비에너지가 높아지며, 식이 섬유나 당 알코올처럼 흡수율이 낮은 영양소는 비에너지를 낮춘다.^[16]

일반적인 식품의 비에너지는 1.6-3cal/g (7kJ/g-13kJ/g)이며, 연어, 살코기, 빵 등이 여기에 속한다. 3cal/g을 초과하는 식품은 크래커, 치즈, 초콜릿, 땅콩 등 고칼로리 식품으로 분류된다.^[16]

2. 1. 비 SI 단위 환산표

비 SI 단위	대응되는 SI 단위
kcal/g^[19]	4.184MJ/kg
Wh/kg	3.6kJ/kg
kWh/kg	3.6MJ/kg
Btu/lb^[20]	2.326kJ/kg
Btu/lb^[21]	2.32444kJ/kg

3. 여러 분야에서의 비에너지

비에너지는 에너지 밀도와 함께 다양한 분야에서 에너지 저장 및 전달 효율성을 평가하는 데 중요한 척도로 사용된다.

'''음식:''' 음식에서 비에너지는 음식 에너지를 참고하여 계산할 수 있으며, 탄수화물, 지방, 단백질이 주된 에너지원이다.^[15] 특히, 물 함량이 비에너지에 큰 영향을 미치는데, 지방은 탄수화물이나 단백질보다 더 높은 비에너지를 가진다.^[8]
'''연료:''' 액체 수소 연료는 가솔린보다 비에너지(단위 질량당 에너지)가 높지만, 체적 에너지 밀도는 훨씬 낮다.
'''이온화 방사선:''' 이온화 방사선의 경우, 물질이 흡수한 비에너지는 흡수 선량으로 알려져 있으며, 그레이 (Gy) 단위로 측정된다. 조직에 대한 확률적 건강 효과는 선량 당량으로 계산되며, 시버트 (Sv) 단위로 측정된다.^[6]
'''천체역학:''' 천체역학에서는 중력에 의한 운동 에너지와 위치 에너지 변화를 고려하여 비에너지가 자주 사용된다.^[11] 예를 들어, 지구 중력 우물 밖에서 지구로 떨어지는 유성체의 비에너지는 63MJ/kg 이상이다.
'''기타:''' 단위 질량당 운동 에너지는 ''v''² (''v''는 속도)로 표현되며, 발사체의 운동 에너지 계산 등에 사용된다. 지구 근처 중력에 대한 단위 질량당 위치 에너지는 ''gh'' (''g''는 표준 중력, ''h''는 높이)로 표현된다. 열의 경우, 단위 질량당 에너지는 비열 용량과 온도 차이의 곱, 비열 융해, 비열 증발로 구성된다.

3. 1. 음식

에너지 밀도는 음식의 질량 또는 부피 당 에너지의 양을 나타낸다. 이는 보통 그램, 밀리리터, 액량 온스와 같은 제공량 당 에너지(킬로줄 또는 영양 열량)를 나타내는 단위로, cal/g, kcal/g, J/g, kJ/g, cal/mL, kcal/mL, J/mL, kJ/mL 등으로 표현된다.

영양 관련 맥락에서 사용되는 에너지 단위는 "식이 열량", "음식 열량" 또는 "열량" (대문자 "C", "Cal"로 약칭)이며, 이는 1킬로칼로리(kcal)와 같다. 미터법에서는 킬로줄(kJ) 또는 메가줄(MJ)이 사용된다.

음식의 에너지 밀도는 음식이 대사될 때 방출되는 에너지를 측정하며, 음식 에너지를 참고하여 계산할 수 있다. 알코올을 제외하고 음식 에너지의 주요 공급원은 탄수화물, 지방, 단백질이며, 이들은 음식 건조 중량의 90%를 차지한다.^[8] 물 함량이 에너지 밀도 계산에 가장 큰 영향을 미친다.

단백질은 탄수화물(≈17kJ/g)보다 낮은 에너지 밀도(≈16kJ/g)를 가지며, 지방은 훨씬 더 높은 에너지 밀도(≈38kJ/g)를 제공한다.^[8] 지방은 탄수화물이나 단백질보다 탄소-탄소 및 탄소-수소 결합이 많아 2.25배 더 많은 에너지를 제공한다.^[9] 물 함량이 같더라도 지방 함량이 높은 음식은 탄수화물이나 단백질 함량이 높은 음식보다 에너지 밀도가 높다. 섬유질이나 당 알코올과 같이 흡수가 잘 안 되는 영양소도 음식의 에너지 밀도를 낮춘다.

중간 에너지 밀도는 1g당 1.6~3 칼로리(7kJ/g–13kJ/g)이며, 연어, 살코기, 빵 등이 해당된다. 에너지 밀도가 높은 음식은 1g당 3칼로리 이상(>13kJ/g)이며, 크래커, 치즈, 초콜릿, 견과류^[10], 튀긴 음식(감자 또는 토르티야 칩 등)이 있다.

3. 2. 연료

액체 수소 연료는 가솔린보다 비에너지(단위 질량당 에너지)가 높지만, 체적 에너지 밀도는 훨씬 낮다.

3. 3. 이온화 방사선

이온화 방사선의 경우, 그레이는 물질이 흡수한 특정 에너지의 SI 단위이며, 이는 흡수 선량으로 알려져 있다. 이로부터 SI 단위인 시버트는 조직에 대한 확률적 건강 효과를 나타내는 선량 당량으로 계산된다. 국제 도량형 위원회는 "흡수 선량 ''D''와 선량 당량 ''H'' 사이의 혼동을 피하기 위해, 각 단위에 대한 특별한 이름을 사용해야 합니다. 즉, 흡수 선량 ''D''의 단위에 대해서는 줄/킬로그램 대신 그레이라는 이름을, 선량 당량 ''H''의 단위에 대해서는 줄/킬로그램 대신 시버트라는 이름을 사용해야 합니다."라고 명시하고 있다.^[6]

3. 4. 천체역학

천체역학에서는 중력에 의한 운동 에너지와 위치 에너지 변화를 고려하여 비에너지가 자주 사용된다. 이는 뉴턴의 중력 시스템에서 에너지 보존과 일치한다.^[11]

지구 중력 우물 밖에서 지구로 떨어지는 유성체의 비에너지는 탈출 속도(11.2 km/s) 제곱의 1/2 이상이다. 이는 63 MJ/kg (15 kcal/g 또는 1톤당 15톤 TNT 상당량)에 해당한다. 혜성은 훨씬 더 많은 에너지를 가지며, 태양에 대한 지구 속도의 제곱근의 두 배의 속도로 움직인다. 이는 42 km/s 또는 882 MJ/kg의 비에너지에 해당한다. 지구에 대한 혜성의 속도는 방향에 따라 12~72 km/s 범위이며, 72km/s는 2592 MJ/kg에 해당한다. 이 속도로 움직이는 혜성이 지구에 떨어진다면 63 MJ/kg을 더 얻어 총 2655 MJ/kg의 에너지와 72.9 km/s의 속도를 갖게 된다. 적도는 약 0.5 km/s로 움직이므로, 충돌 속도는 73.4 km/s의 상한선을 가지며, 지구에 충돌하는 혜성의 비에너지의 상한선은 약 2690 MJ/kg이다.^[11]

헤일-밥 혜성(직경 50 km)이 지구에 충돌했다면, 바다를 증발시키고 지구 표면을 멸균시켰을 것이다.^[11]

3. 5. 기타

단위 질량당 운동 에너지: ''v''² (여기서 ''v''는 속도이며, ''v''가 m/s일 때 J/kg) 발사체의 단위 질량당 운동 에너지도 참조.

지구 근처 중력에 대한 단위 질량당 위치 에너지: ''gh'' (여기서 ''g''는 표준 중력 가속도로 9.8m²이고, ''h''는 기준면 위 높이이며, ''g''가 m/s²이고 ''h''가 m일 때 J/kg).

열: 단위 질량당 에너지는 비열 용량과 온도 차이의 곱, 비열 융해, 비열 증발로 구성.

우주역학에서는 중력에 따라 변동하는 운동 에너지와 위치 에너지보다 비에너지(출력 밀도)가 더 자주 사용됨.

참조

_[1] 서적 Boiler Operator's Handbook https://books.google[...] Fairmont Press 2004
_[2] 서적 Handbook of Computational Chemistry https://books.google[...] Springer 2011
_[3] 문서 Using the thermochemical calorie
_[4] 문서 Using the definition based on the international steam table calorie
_[5] 문서 Using the definition based on the thermochemical calorie
_[6] 웹사이트 CIPM, 2002: Recommendation 2 http://www.bipm.org/[...] BIPM
_[7] 뉴스 Consider caloric density for weight loss https://www.chicagot[...] 2010-04-19
_[8] 웹사이트 Carbohydrates, Proteins, and Fats: Overview of Nutrition http://www.merck.com[...]
_[9] 서적 11th Hour: Introduction to Biology https://books.google[...] John Wiley & Sons 2009
_[10] 웹사이트 The Okinawa Diet: Caloric Density Pyramid http://www.okinawapr[...]
_[11] 간행물 The end of life on Earth https://www.newscien[...] 2016-06-04
_[12] 서적 Boiler Operator's Handbook https://books.google[...] Fairmont Press 2004
_[13] 서적 Handbook of Computational Chemistry https://books.google[...] Springer 2011
_[14] 뉴스 Consider caloric density for weight loss http://articles.chic[...] 2010-04-19
_[15] 웹사이트 Carbohydrates, Proteins, and Fats: Overview of Nutrition http://www.merck.com[...] 2013-05-15
_[16] 웹사이트 The Okinawa Diet: Caloric Density Pyramid http://www.okinawapr[...] 2010-03-04
_[17] 서적 Boiler Operator's Handbook https://books.google[...] Fairmont Press 2004
_[18] 서적 Handbook of Computational Chemistry https://books.google[...] Springer 2011
_[19] 문서 Using the thermochemical calorie
_[20] 문서 Using the definition based on the International Steam Table calorie
_[21] 문서 Using the definition based on the thermochemical calorie

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