[과학] 에너지의 형태와 종류, 에너지 전환과 보존의 필요성 정리

들어가며

에너지(Energy)는 ‘내재된 일’이라는 그리스어 ‘에르곤(Ergon)’에서 유래된 말이다. 에너지는 매우 추상적인 개념이라 정의하기 어렵지만 사람이나 물체, 장소 등이 가지고 있는 에너지 형태가 전환되어 나타날 때 관찰할 수 있다. 에너지는 ‘일’이라는 개념과 밀접하게 관련되어 설명할 수 있다.

에너지의 형태

열에너지

물질을 구성하는 원자들의 불규칙한 운동도 에너지를 가지고 있다. 물질을 구성하는 원자들의 불규칙한 운동에 의한 에너지를 측정한 것이 온도로, 원자들이 많은 에너지를 가지고 있으면 온도는 더 높아진다. 이런 에너지를 열에너지라고 부른다. 

전기 에너지

전기 에너지는 전하의 이동으로 발생하는 에너지로, 발전소에서는 수력, 화력, 원자력, 풍력, 파력, 지열 등 여러 에너지원을 이용하여 전기 에너지를 생산한다. 발전소에서 만들어진 전기 에너지는 가정이나 공장으로 운반된 다음, 그곳에서 여 러 가지 형태의 에너지로 전환되어 사용된다. 전기 에너지는 눈에 보이지 않지만 매우 유용한 에너지로 우리 생활에서 여러 가지 일을 하고 있다. 전기 에너지는 열을 발생시켜 우리를 따뜻하게 해 주고, 빛으로 바뀌어 밤에도 환하게 밝혀 주며, 힘으로도 바뀌어 모터를 돌릴 수 있게 한다. 에너지의 형태는 전환되는 데 그중 전기 에너지는 에너지 전환이 쉬운 에너지로, 현재 우리 생활에서 가장 많이 이용되고 있는 에너지이다.

빛에너지

태양 에너지와 같이 빛이 가진 에너지 형태를 말한다. 식물은 태양의 빛에너지를 흡수하여 광합성 작용을 할 수 있다. 태양 전지를 이용해 태양의 빛에너지를 모아서 다른 형태의 에너지로 활용할 수 있다. 

화학 에너지

휴대 전화의 전지를 방전시키거나 충전시키는 것은 전지를 구성하는 물질의 화학적 상태를 변화시키는 것이다. 충전시키면 전지의 화학 에너지가 증가하고, 방전시키면 전지의 화학적 에너지가 줄어든다. 음식을 먹음으로써 우리 몸의 화학적 에너지를 증가시킬 수 있다.

운동 에너지

빠르게 달리는 자동차는 에너지를 가지고 있다. 벽이나 다른 자동차와 충돌한다면 다른 물체를 이동시키고 큰 충격을 줄 수 있다. 이처럼 운동하는 물체가 가지고 있는 에너지를 운동 에너지라고 한다. 운동 에너지는 물체의 질량과 속력의 제곱 에 비례한다.

위치 에너지

위치 에너지에는 어떤 위치에 있는 물체가 가지는 중력에 의한 위치 에너지와 탄성력에 의한 위치 에너지가 있다. 중력에 의한 위치 에너지는 중력과 관계가 있는 에너지로, 높은 곳에 있는 물체는 중력의 작용으로 낙하하게 되고, 물체는 시간이 지남에 따라 가속되므로 점점 빠르게 낙하한다. 낙하하는 물체가 다른 물체와 충돌하면 힘을 가하면서 물체를 이동시키므로 일을 할 수 있다. 이처럼 높은 곳에 있는 물체가 가지는 에너지를 중력에 의한 위치 에너지라고 한다. 중력에 의한 위치 에너지는 물체의 질량과 기준면으로부터 물체의 높이에 비례한다.

새로운 에너지원의 종류

에너지 전환과 보존

에너지 전환

‘일’은 에너지를 한 장소에서 다른 장소로, 또는 한 형태에서 다른 형태로 전환시킬 때 일어난다. 이것을 에너지 전환이라고 말한다. 운동 에너지와 위치 에너지는 열, 소리 및 빛과 같은 형태로 나타난다. 자유롭게 움직이는 분자 운동은 열로, 리듬에 따른 분자의 진동은 음파로, 전자의 운동은 전류로 나타난다. 빛에너지 또한 원자 내 전자의 운동에 의한 것이다. 

에너지 보존

에너지는 생성되거나 소멸되지 않으며 한 형태에서 다른 형태로 전환되더라도 총 에너지는 변하지 않는다. 지구 에너지의 대부분을 차지하는 태양에서 오는 복사 에너지의 일부는 대양의 물을 증발시키고, 다시 비가 되어 댐에 저장된다. 댐의 물이 가진 에너지로 발전소를 가동하여 전기 에너지를 만들며, 가정이나 산업체에 공급된 전기는 난방, 요리, 전기 기구 작동을 위해 사용되는 형태로 전환되지만 총 에너지는 변하지 않는다.

에너지 전환

효율 에너지 전환이 일어날 때 에너지는 온전하게 필요한 에너지로 전환되지 않고 쓸모없는 열로 전환되어 빠져나가 버리는 경우가 많다. 따라서 에너지 전환 효율이 높을수록 에너지 형태가 전환될 때 열이 적게 발생한다.

마무리

지구 중력에 거슬러 물건을 들어 올릴 때 ‘일’을 한다고 표현한다. 힘이 많이 들수록, 멀리 이동시킬수록 더 많은 일을 한다. 일의 측정 단위는 줄(J)로 힘의 단위(N)와 거리의 단위 (m)의 곱으로 계산할 수 있다.