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[에너지] ([영 energy])

물리학적인 일(Work)로 환산할 수 있는 양(量)의 총칭이다. 처음에는 어떤 물체가 일을 할 수 있는 능력만을 의미하였는데, 후에는 확장되어 열ㆍ빛ㆍ전자기 등에 관련되는 양이나 질량도 포함하여 이들 전부에 대하여 '에너지 보존의 법칙'이 성립되는 것으로 물리학적인 이론을 구성할 수 있음이 밝혀졌다. 라이프니츠는 운동하는 물체의 작용을 측정하는 양으로서 그 질량(m)에 속도의 제곱(v²)를 곱한 mv²을 취하여 이를 활력이라 불렀다. 그 후에 코리올리스(Coriolis)는 mv²/2을 활력으로 하였는데 이것이 지금의 운동 에너지이다. 정지해 있는 질량m의 물체에 힘이 작용하여 그 속도가 v로 되었다면, 그 힘이 하는 일은 항상mv³/2가 된다. 반대로 속도 ㅍ의 물체는 정지할 때까지 mv³/2의 일을 할 수가 있다. 이러한 뜻에서 속도 ㅍ의 물체는 mv³/2의 일을 할 수 있는 능력을 갖고 있다고 생각하여 mv³/2의 에너지를 가졌다고 말한다. 특히 이 양(量원)은 물체의 운동 상태에만 의존하므로 운동 에너지라 한다. 한편 2개의 물체로 구성된 물체계(物體系)를 생각하면 이에 작용하는 외력(外力; 두 물체의 상호 작용을 제외한 힘)이 하는 일은 두 물체의 처음 상태와 최종 상태에만 의존할 때가 많다 처음 상태에서 물체간의 거리를 r, 최종 상태에서의 거리를 r'라고 하면 이 외력이 하는 일은 두 물체의 운동 에너지 증가와 U(r')-U(r)를 합한 것이 된다. U(r'), U(r)은 물체간의 내력(內力)에 의해서 결정되는 어떤 함수로서, 물체 간의 위치 에너지(Potential energy)라 부른다. 여러 물체로 이루어진 일반적인 계(系)에 대해서도, 그 각 부분에 작용하는 외력이 하는 일은 계(系)의 최초와 최후의 상태에만 관계되고, 도중의 변화에는 무관할 때가 많다. 바로 이러한 조건 아래에서 에너지 보존의 법칙이 성립되며 외력이 하는 일을 계(系)의 에너지 증가라 한다. 이 에너지는 계(系)의 각 부분의 운동 에너지와 계의 각 부분의 상대적 위치로써 결정되는 위치 에너지를 합한 것이 된다. 또 이것들은 계의 역학적 상태만으로 결정되므로 역학적 에너지 또는 기계적 에너지라 하며, 이것을 역학적 에너지 보존 법칙이라 한다. 역학적 에너지 보존의 법칙이 성립할 때에 계(系)의 각 물체 간에 서로 작용하는 내력을 보존력이라고 한다. 물체 간에 마찰이나 저항이 작용할 때에는 역학적 에너지 보존의 법칙은 성립되지 않는다. 이때 에너지 보존 법칙을 깨뜨리지 않기 위하여 다음 두 가지 방법을 생각할 수 있다. 첫째는 거시적 입장에서 마찰이나 저항이 있을 때의 물체의 온도 상승에 주목한다. 온도 상승은 열을 줌으로써 이루어지므로 일(W)외에 열량(Q)도 포함하여 에너지로 생각한다. 상태의 개념을 확장하여 역학적 상태 외에 열적 상태도 포함 시킨다. 이렇게 하여 넓은 의미에서의 에너지 보존 법칙이 성립된다는 것은 마이어(Mayer), 쥬울(Joule), 헬름홀쯔(Helmholtz) 등의 연구에 의해 명백히 밝혀진 것이다. 이때에 외계의 작용으로는 'W+J. Q'라는 양(量 )을 취해야 한다는 것이 실험에서 명백해졌다. 이것이 열역학 제1법칙이다. J는 적당히 정해진 상수(常數)이며 열의 일당량이라 부른다. 'W+J. Q'는 계의 에너지 증가와 같으며 이 에너지는 몇몇 변수의 함수로 된다. 둘째의 방향은 미시적 입장에 서는 것으로서 마찰력도 원자, 분자 간의 상호 작용으로 보아 보존력이라고 생각한다. 이 입장에서 볼 때에 계의 에너지는 계를 구성하는 각 분자, 원자의 상태를 표시하는 많은 변수의 함수가 된다. 그러나 이때의 에너지가 항상 역학적 에너지로 귀착되는 것은 아니다. 예를 들면 운동하는 하전 입자(荷電粒子) 간의 힘이 보존 법칙을 성립시키지 못하며 이때에는 입자의 에너지 외에 장(場)에너지를 도입시켜 보존법칙을 성립시킨다. 전자장(電磁場)의 에너지는 그 대표적인 예가 된다. 양자 역학에서는 에너지가 일종의 연산자(演算子)로 되며 관측치(觀測値)는 그 고유치가 된다. 이는 일반적으로 비연속적인 값으로 된다. 고전 물리학에서나 양자 역학에서의 에너지 개념의 중요성은 그 함수형(函數形)이 주어질 때 계(系)의 성질이 완전히 결정된다는 사실에 근거를 두고 있다.

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