에너지

3. 에너지의 종류

에너지는 다양한 형태로 존재하며, 크게 역학적 에너지, 열에너지, 전기에너지, 화학 에너지, 소리 에너지, 핵에너지, 빛에너지 등으로 분류할 수 있다.

• 역학적 에너지: 운동 에너지와 위치 에너지로 나뉜다.
• 운동 에너지란 운동하는 물체가 가진 에너지이다.
• 위치 에너지는 물체가 어떤 위치에 있음으로서 가지는 잠재적인 에너지이다.
• 열에너지: 온도가 더 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달되는 에너지의 형태이다.
• 전기 에너지: 전하량과 전위의 곱으로 나타낸다.^[55]
• 화학 에너지: 화학 결합에 의해 물질 속에 저장되어 있는 에너지이다.
• 소리 에너지: 공기와 같은 물질의 진동에 의해 전달되는 에너지이다.
• 핵에너지: 원자핵이 분열하거나 서로 융합할 때 발생하는 에너지이다. 일반적으로 핵발전에 쓰이는 원소는 우라늄과 플루토늄이 있다. 태양은 핵융합을 통해 핵 에너지, 빛 에너지, 열 에너지를 발생시킨다.
• 빛에너지: 빛이 가지고 있는 에너지이다.

4. 에너지의 전환과 보존

에너지는 다양한 형태로 서로 전환될 수 있다. 예를 들어, 전지는 화학 에너지를 전기에너지로 변환하고, 댐은 중력 위치 에너지를 물의 운동 에너지로, 최종적으로는 발전기를 통해 전기에너지로 변환한다. 열기관은 열을 일로 변환하지만, 카르노 정리와 열역학 제2법칙에 따라 효율에 제한이 있다.^[17] 하지만 일부 에너지 변환은 매우 효율적일 수 있다. 에너지 변환의 방향은 엔트로피 증가에 따라 결정되는 경우가 많다.

5. 에너지의 역사

19세기 초 토머스 영이 '에너지'라는 용어를 처음 사용했다.^[5] 이는 그리스어 ἐνέργεια|energeia|활동^grc에서 유래했다.^[4]

17세기 고트프리트 빌헬름 라이프니츠는 운동 에너지 개념의 초기 형태인 '활력' 개념을 제안했다. 그는 질량과 속도의 제곱을 곱한 값이 보존된다고 생각했다.

19세기 구스타브 가스파르 코리올리스가 현대적 의미의 "운동 에너지"를 정의했고,^[51] 윌리엄 존 맥쿼른 랭킨은 "퍼텐셜 에너지"를 정의했다.

같은 시기 제임스 프레스콧 줄, 헤르만 폰 헬름홀츠 등에 의해 에너지 보존 법칙이 확립되고, 열역학 분야로 공식화되었다.

뇌터 정리에 따르면, 에너지 보존은 물리 법칙의 시간 불변성(시간 병진 대칭성)의 결과이다.^[6]

6. 에너지와 관련된 학문 분야

고전역학에서 에너지는 보존량이며, 해밀토니안 또는 라그랑지언을 통해 운동 방정식을 기술할 수 있다. 계의 총 에너지는 때때로 윌리엄 로언 해밀턴의 이름을 따서 해밀토니언이라고 불리며, 매우 복잡하거나 추상적인 계에 대해서도 해밀토니언의 관점에서 고전적인 운동 방정식을 쓸 수 있다. 조제프 루이 라그랑주의 이름을 딴 라그랑지언은 또 다른 에너지 관련 개념으로, 해밀토니언만큼 근본적이며 둘 다 운동 방정식을 유도하거나 유도될 수 있다. 일반적으로 라그랑주 형식주의는 마찰이 있는 계와 같은 비보존적 계에 대해 해밀토니언보다 수학적으로 더 편리하다.

화학에서 에너지는 물질의 속성이며, 화학 반응은 에너지 변화를 수반한다. 화학적 변환은 이러한 구조 중 하나 이상의 변화를 수반하므로, 일반적으로 관련 물질의 총 에너지 감소를, 때로는 증가를 수반한다. 어떤 에너지는 열이나 빛의 형태로 주변 환경과 반응물 사이에서 전달될 수 있다. 따라서 반응 생성물은 때때로 반응물보다 더 많은 에너지를 가지지만, 일반적으로 더 적은 에너지를 갖는다. 최종 상태가 초기 상태보다 에너지 척도에서 낮으면 발열 반응 또는 발열 과정이라고 하며, 드물지만 흡열 반응의 경우는 그 반대이다.

생물학에서 에너지는 모든 생명 시스템의 속성이며, 광합성, 호흡 등을 통해 생명 유지에 사용된다. 생물체 내에서 에너지는 생물학적 세포 또는 생물체의 세포소기관의 성장과 발달을 담당한다. 호흡에 사용되는 에너지는 세포에 저장된 탄수화물(설탕 포함), 지질, 단백질과 같은 물질에 저장된다.

지구과학에서 지구 내부 에너지 변환은 대륙 이동, 화산, 지진 등을 일으키며, 태양 에너지는 기상 현상의 원동력이다. 지질학에서 지구과학의 관점에서 보면, 대륙 이동, 산맥, 화산, 그리고 지진은 지구 내부의 에너지 변환으로 설명할 수 있는 현상이다. 반면, 바람, 비, 우박, 눈, 번개, 토네이도, 그리고 허리케인과 같은 기상 현상은 모두 태양 에너지에 의해 발생하는 대기의 에너지 변환의 결과이다.

우주론 및 천문학에서 항성, 신성, 초신성, 퀘이사 및 감마선 폭발 현상은 우주에서 가장 높은 에너지 변환 현상이다. 모든 항성 현상(태양 활동 포함)은 다양한 종류의 에너지 변환에 의해 발생한다.

양자역학에서 에너지는 에너지 연산자(해밀토니안)를 시간에 대한 파동 함수의 도함수로 정의하며, 슈뢰딩거 방정식을 통해 에너지 측정값을 구할 수 있다. 슈뢰딩거 방정식은 에너지 연산자를 입자 또는 계의 전체 에너지와 같다고 하며, 그 결과는 양자역학에서 에너지 측정의 정의로 간주될 수 있다.

상대성이론에서 에너지는 정지 에너지 개념을 포함하며, 질량-에너지 등가 원리가 성립한다. 상대론적으로 운동 에너지를 계산할 때(정지 상태에서 유한한 속도까지 질량체를 가속하는 데 드는 일) – 뉴턴 역학 대신 로렌츠 변환을 사용하여 – 아인슈타인은 이 계산의 예상치 못한 부산물로서 속도가 0일 때도 사라지지 않는 에너지 항을 발견했다. 그는 이것을 정지 에너지, 즉 모든 질량체가 정지해 있을 때도 반드시 가져야 하는 에너지라고 불렀다.

7. 에너지 자원

“에너지”는 산업, 운송, 소비 생활 등에 필요한 동력의 원천인 에너지 자원을 가리키는 경우도 있다.^[50] 인류는 불을 최초로 이용하기 시작했다. 메소포타미아 문명 시대에는 수력을 이용하는 물레방아와 바람의 에너지를 이용하는 범선이 있었다. 이후 풍차를 통해 이동 외 동력에도 바람을 이용하게 되었다.^[42] 18세기까지 땔나무, 숯, 고래기름 등이 주요 에너지원이었으나, 영국에서 석탄 이용법이 개량되고, 1765년 제임스 와트가 증기기관을 개량하면서 에너지 혁신이 일어났다. 이는 산업혁명의 원동력이 되었다. 이후 전기 에너지가 실용화되었고, 20세기에는 석탄 대신 석유가 주로 사용되기 시작했으며, 핵연료를 이용하는 원자력 에너지도 실용화되었다.^[44]

2018년 세계 에너지 소비량은 138.6억 톤에 달했으며, 석유 34%, 석탄 27%, 천연가스 24%로 80% 이상이 화석연료에서 유래한다.^[45] 제2차 세계 대전 이후 석탄에서 석유로의 급격한 에너지원 전환과 같은 에너지 소비 구성의 큰 변화를 에너지 혁명이라고 한다.^[53]

에너지는 “자원”의 관점에서 고갈성 에너지와 재생 가능 에너지로 분류된다.^[46] 고갈성 에너지는 석탄이나 석유처럼 지구에 매장되어 사용하면 감소하는 에너지원이고, 재생 가능 에너지는 태양광, 수력, 풍력 등 주로 태양의 방사 에너지를 기반으로 하여 반영구적으로 재생되는 에너지원이다.

에너지 자원은 이용 형태에 따라 1차 에너지와 2차 에너지로 분류된다.^[47] 1차 에너지는 자연계에 존재하는 상태 그대로의 에너지(석탄, 원유, 수력 등)이고, 2차 에너지는 사용 및 취급에 편리하도록 변환된 에너지(휘발유, 도시가스, 전력 등)이다.

「에너지 절약」은 에너지 낭비를 줄이고 효율적으로 사용하는 것을 의미하며, 「신재생에너지」는 주로 전기를 직접 생산(자가발전)하는 것, 「에너지 저장」은 에너지를 저장하는 것을 통칭한다.^[48]

7. 1. 한국의 에너지 정책 (참고)

참조

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_[22] 서적 The Physics of Energy https://books.google[...] Cambridge University Press 2022-05-22
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