에너지 보존 법칙(1)

에너지 보존 법칙에 관하여 설명해보자.

 

에너지 보존 법칙에 따르면 에너지는 형태를 바꾸거나 다른 곳으로 전달할 수 있을 뿐이며, 생성 또는 사라질 수 없다. 따라서, 항상 일정하게 유지된다는 것을 가정한 것이다. 예를 들어 설명하면, 화약의 화학에너지가 총알의 운동에너지로 변환되어 힘을 받는 것, 그리고 롤러코스터에서 중력에 의한 에너지가 운동에너지로 변환되는 것이 그 예이다. 20세기에서 에너지 보존 법칙은 아인슈타인의 특수 상대성이론을 통해 질량-에너지 보존 법칙으로 확장되었다. 특수 상대성이론에 따르면 질량은 에너지의 한 종류이고 기준 관성계에 따라 측정되는 값이 다를 수는 있지만 같은 관성계에서 시간의 변화에 대해서 불변이다. 열역학에서의 에너지 보존 법칙은 열역학 제1 법칙이라고 불린다.
  

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에너지 보존 법칙의 역사
19세기 이후에 열과 역학적인 일이 동등한 현상임을 증명하여, 에너지 보존 법칙이 정식화되었다.
역학적 일과 열이 서로 변환될 수 있으며, 동등하다는 언급은 에너지 보존의 원리를 확립하는 데에 중심적인 역할을 했다. 역학적 과정에서 에너지가 손실됨과 동시에 열이 생성된다는 사실을 이 이론이 지적했다는 점에서 에너지 보존의 원리는 자연현상의 통일성을 역설하고 있었다. 18세기의 물리학자들은 에너지 손실을 비역학적 과정과 분리해서 역학계 안에서만 고려했으며, 따라서 그들은 열과 역학적 에너지의 동등성에 대한 이론을 분명히 제시하지 않았다.

 그런데 18세기 역학의 저작들 속에서도 역학적 에너지의 보존이라는 개념을 찾아낼 수 있다. 라이프니츠가 처음으로 밝힌 활력의 보존 원리가 바로 그것이다. 라이프니츠는 질량과 속도의 제곱을 곱한 양으로 측정되는 활력은 역학적 과정에서 보존된다고 주장했다.

18세기 물리학자들에게 활력 보존의 원리는 널리 쓰였는데, 완전탄성 운동을 설명할 때 특히 편리하였다. 1720년 베르누이는 활력 개념에 대해서 가장 체계적이고 일관된 해설을 제시하였다. 비탄성 충돌에서는 활력이 손실되는 것처럼 보이지만, 이는 움츠러뜨렸다가 늘어나지 못하게 해 놓은 용수철과 비슷하다고 하였다. 그리고 베르누이는 물체가 압축될 때 활력이 소모되지 않고 어떤 방식으로 변환된다고 해석하였다. 이때까지는 일과 열이 동등하다고 생각하지 않았다.

 

 그 이후, 1760년 캐번디쉬는 활력 보존의 원리를 열교환 문제에 적용하였다. 캐번디쉬는 열이 물체를 구성하는 알갱이들의 떨림에서 비롯된다고 가정을 하고, 열의 전달을 물체를 이루는 입자들의 활력 보존으로부터 얻어낼 수 있다고 생각했다. 하지만 이때까지도 활력의 손실을 열의 생성과 동등시하지는 않았다.

 

 19세기 초, 활력을 역학적 일, 즉 힘과 거리의 곱으로 잴 수 있다는 관념이 동력 기술에 관한 저작들에 나타나기 시작했다. 석탄을 태움으로써 일을 할 수 있게 만드는 열기관의 작동을 보면 일과 열이 상호변환됨을 알 수 있었다. 에워 트는 석탄을 태울 때 생기는 열과 그렇게 해서 생성되는 역학적 능력 또는 힘 사이의 정량적 관계를 추측하였다.

1820년대에는 역학에 관한 이론적 논문들에서 일의 개념이 강조되었는데, 일은 힘을 거리에 대해 적분한 값으로 잴 수 있다고 정의되었다. 또한 활력 개념과의 수학적 관계를 분명히 함으로써 역학적 에너지의 척도를 제시했다. 일을 역학적 에너지의 척도로 보는 개념은 상호변환과정의 정량적인 기초가 되어 주었다.

1842년 영국의 줄은 한가지 실험을 고안하였다. 그 실험은 열에너지를 통해 일을 계산하였다. 줄의 장치를 잘 살펴보면 인간이 핸들을 돌려 추를 끌어올려 위치에너지를 증가시키며, 핸들을 놓게 되면 추가 떨어지면서 물속의 교반기를 회전시키는데, 추의 위치에너지가 교반기의 운동에너지로 전환되는 과정이다. 모든 실험이 끝난 후 물이 잔잔해지면 물의 온도가 전체적으로 증가한 것을 관찰할 수 있는데 이는 정확히 위치에너지의 양과 같다. 줄의 실험은 열이 에너지라는 것을 입증함과 동시에 에너지의 형태가 변하고 여러 과정을 거쳐도 그 전체 양은 줄지 않는다는 것을 증명하였다.

 또한, 1842년 독일의 마이어는 열대지방을 여행하던 도중 선원들의 동맥 색이 붉은 것을 보고 에너지와 열의 관계를 처음 추측하여, 역학적 에너지 보존의 법칙을 제시하였다. 그 이후에 1850년 마이어는 열의 일당량이라는 개념을 적용해 을 발표하였다. 수소들을 용기에 집어넣고 한 쪽을 피스톤으로 막은 뒤 추를 올려놓아 일정한 압력을 준다. 이 상태로 가열하게 되면 기체는 팽창하여 부피가 증가한다. 밀폐하여 가열하였을 경우에는 열용량이 2.4cal이었지만 팽창을 자유롭게 하였을 때는 3.4cal이었다. 마이어는 ‘열량이란 압력에 저항하여 부피를 증가시키는 능력이다’라고 결론을 내렸다. 압력에 대하여 부피를 증가시키는 것은 일한다는 것과 동일하여 ‘열이란 일을 하는 능력이다’라고 결론을 내릴 수 있다.

이러한 능력은 [에너지]라고 정의가 되어있었는데 ‘열은 에너지다’라고 결론을 내렸다.

 1840년대까지 몇몇 물리학자들과 엔지니어들이 역학적 일과 열 사이의 정량적인 동등성을 명시적으로 밝혔다. 이들은 일과 열 사이의 변환 계수, 즉 열의 일 해당량 또는 역학적 값을 계산했다. 역학적 일의 개념을 명확하게 정의하고 일과 열의 정량적인 동등성을 밝힌 것이 주요가 되어, 에너지 보존 원리가 확실해지고, 실험 또한 가능해졌으며, 수학적 개념화도 이룰 수 있었다. 열과 일이 동등함을 주장함으로써, 물리학자들은 역학 과정을 상호변환과정의 망 속에서 논의할 수 있게 되었다. 에너지 보존 원리는 이러한 설명의 작업 틀에 기본적 개념을 제공했다. 다시 말해, 보존되는 물리량의 정량적인 척도와 자연 능력의 상호변환을 설명해 주는 보편적인 원리이다. 에너지 보존의 법칙이 확립되면서 열의 역학적 이론도 분명해졌다. 이 이론은 열이 물체를 구성하는 입자들의 떨림에서 비롯된다고 보았으며, 이는 역학적 일과 열 사이의 상호변환과 동등성을 설명하는 기초가 되었다. 운동하는 물질에 기반을 둔 역학적 존재론은 자연 능력의 상호변화와 에너지 보존을 설명하는 토대가 되었다.

 

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