에너지

에너지(Energy)는 물리학에서 일을 할 수 있는 능력으로, 생성 소멸하지 않고 일을 통해 다른 형태의 에너지로 계속 전환된다. 에너지는 상황에 따라 다양한 이름과 특징을 갖게 되며 대표적인 에너지는 전기에너지, 열에너지, 화학에너지 등이 있다.

개요

에너지는 물리학에서 일을 얼마나 많이 할 수 있는지를 정량적으로 나타낸 것이다. 에너지를 직접 인지하지는 못하고 에너지의 이동 또는 변환 때문에 에너지의 존재를 인지하게 된다. 흔히 언급되는 역학적 에너지, 빛에너지, 열에너지, 소리에너지, 전기에너지, 화학에너지 등 모든 에너지는 근본적으로 위치에너지와 운동에너지 그리고 질량에 비례하는 물리량인 정지에너지로 나타낼 수 있다. 더불어 에너지는 운동량과 함께 보존법칙을 따르는 대표적인 물리량 중 하나다. 닫힌 물리계에 작용하는 알짜 힘이 0인 경우 그 물리계의 총에너지는 시간에 따라 변하지 않고 일정하다. 에너지를 얻기 위한 근원은 대표적으로 석유, 석탄, 천연가스 등이 있고 이를 정제하거나 태우는 등 상업적으로 사용 가능한 물질로 변환한 후 필요한 에너지를 얻게 된다. 에너지의 대표적인 단위는 줄(J)이다.

에너지 보존 법칙

에너지는 한 형태에서 다른 형태로 바뀔 수 있다. 흔히 에너지를 써 버린다고 말하지만, 사실은 에너지를 사용하여 없어지게 하는 것이 아니라 다른 형태로 바꾸는 것이다. 예를 들어 가정에서 사용하는 전기 기구들은 가정으로 공급된 전기 에너지를 없어지게 하는 것이 아니라, 전기에너지를 다른 형태의 에너지로 바꾸어 주는 것이다. 텔레비전에서는 전기에너지가 빛에너지와 소리 에너지로 바뀌며 전기에너지는 전열 기구에서는 열에너지, 전등에서는 빛에너지, 오디오에서는 소리 에너지로 바뀐다. 전기에너지 자체도 위치에너지와 운동에너지, 그리고 연료의 화학에너지 등이 전환되어 만들어진 것이다. 이렇게 에너지는 서로 다른 형태로 전환될 수 있는데, 전환되는 과정에서 에너지가 감소하거나 없어지는 것이 아닌, 한 종류의 에너지가 감소하면 감소한 만큼 다른 에너지가 생성된다. 컴퓨터를 켜서 전기 에너지를 사용하면 전기 에너지를 사용한 만큼 빛에너지, 소리 에너지, 열에너지가 생긴다. 이렇게 에너지가 서로 다른 에너지로 전환되더라도 그 총량은 항상 일정하게 유지되는 것을 에너지 보존 법칙이라고 한다. 에너지 보존 법칙에 의하면, 에너지는 새로 만들어지는 것이 아니라 다른 형태의 에너지로 바뀌는 것으로 댐에 고여 있는 물이 가지고 있는 위치에너지는 수력 발전소에서 발전기를 돌리면서 전기에너지로 바뀐다. 원자력 발전소에서는 우라늄이 핵분열할 때에 발생하는 열이 전기에너지로 전환된다. 그리고 이 전기에너지가 각 가정으로 전달되어서 전열기에 공급되면 열에너지로 바뀌고, 전등에 공급되면 빛에너지로 바뀌고, 녹즙기에서는 전 에너지가 기계적 에너지로 바뀐다.

종류

수소에너지

수소에너지는 수소와 산소를 반응시켜 전기와 물을 얻어내는 청정에너지로, 주로 사용되는 방식은 연료전지를 이용하는 방식이다. 이러한 연료전지의 원리는 수소가 연료전지로 들어가면 양이온과 전자로 분리된다. 그 후 전자는 도선을 따라 흐르며 전기를 발생시키고 양이온은 산소와 만나 물을 생성한다. 수소에너지의 특징은 모든 곳에서 생산이 가능하다. 수소는 물을 전기분해해서 얻을 수도 있고 석유, 천연가스를 이용해서 얻을 수 있는 물질이며 수소는 2차 에너지로 자연상태에 존재하지 않고 어떤 물질을 통해 추출하여 얻을 수 있는 에너지이다. 또한 수소는 산소와 만나 전기를 생산하기 때문에 친환경 에너지로 수소에너지를 사용하는 연료전지는 크기와 종류에 따라 발전소, 자동차, 주택 등 다양한 곳에 위치할 수 있다. 또한 수소는 액체나 기체로 저장이 가능하기 때문에 많이 압축해서 운송이 가능하고 풍력 발전소나 수력 발전소처럼 전기를 자연에서 도시로 선을 따라 운송하지 않고 생산된 수소를 도시와 가까운 충전소나 발전 단지로 옮겨 전기를 얻을 수 있다. 더불어 수소에너지를 일상에서 느낄 수 있는 분야는 수소자동차로 이미 글로벌 자동차 기업들은 수소자동차 개발에 총력을 기울이고 있다. 대다수의 국가가 배기가스 배출량을 줄이기 위해 연비규제를 가하고 있고 친환경 자동차 의무 판매제도를 도입한 시점에 수소차는 필수가 되었다. 수소자동차는 별다른 오염물질을 발생시키지 않고 주행 중에는 미세먼지까지 걸러주기 때문에 시장에서 주목받고 있다. 또한 수소자동차에서 사용되는 수소연료탱크는 국토교통부에서 제시하는 자동차용 내압용기에 따른 규정을 통해 파열과 화염, 심지어 총격 시험까지 총 14가지 항목에서 안정성 검사를 받고 있다. 검사 결과를 보면 수소를 충전한 탱크에 총탄을 쏴도 폭발하지 않으면 관통한 부위를 통해 수소가 대기 중으로 방출되었다. 수소는 지구에서 가장 가벼운 원소로, 공기보다 14배 가볍기 때문에 누출이 되는 순간 공기 중으로 빠르게 날아간다. 따라서 수소에 불이 붙는 경우는 사실상 없다. 또한 수소연료탱크, 연료공급시스템, 연료전지시스템에는 실시간으로 수소 누출 여부를 모니터링하는 수소 누출 감지 센서가 장착되어 있고 만약 주행 중 수소 누출 혹은 외부 충돌에 의한 배관 수소누출을 감지할 경우, 운전석 전면 디스플레이를 통해 운전자에게 경고하고, 수소 연료탱크 밸브를 차단하여 수소 공급을 중지하고 수소 대량 누출에 의한 사고를 사전에 막을 수 있다.

열에너지

열에너지는 계와 환경사이에서 일어나는 자발적인 형태의 에너지 전달로, 역학적인 일의 형태나 전도, 대류, 복사 등이 아닌 방법으로 일어나는 에너지의 전달을 열에너지라 한다. 열에너지는 열역학적인 계의 상태를 가리키는 양이 아닌, 한 열역학적인 계가 가지고 있는 열에너지의 양은, 고전역학에서 한 계가 가지고 있는 일의 양과 마찬가지로 용어 자체가 성립할 수 없는 양이다. 한 역학적인 계가 다른 역학적인 계에 일의 형태로 에너지를 전달할 수 있는 것과 동일하게 열에너지는 한 열역학적인 계가 다른 열역학적인 계로 전달할 수 있는 에너지의 일종이다. 열에너지는 열역학적인 계가 주어진 열역학적인 상태에 있을 때, 이 상태를 기술하는 상태함수가 아니다. 더불어 열에너지 중 수열에너지는 대기 온도와 비교해 여름에는 차갑고 겨울에는 따뜻한 물리적 성질을 이용하는 것이다. 물을 냉/난방에너지로 사용할 경우 전력 부하를 획기적으로 낮출 수 있다. 이미 서울 롯데월드타워에서 2016년부터 전체 냉/난방 용량의 10%를 수열에너지로 공급하고 있으며 연간 약 7억 원을 절감해 에너지로서의 우수성을 검증했다. 더불어 산업통상자원부는 2020년 5월 건의를 받아들여 신에너지 및 재생에너지 개발, 이용, 촉진법시행령을 개정하고 수열에너지를 새롭게 재생에너지로 포함시켰다. 2020년 6월 30일에는 환경부가 수열에너지를 그린 뉴딜 대표사업으로 육성하기 위한 친환경 수열에너지 활성화 방안을 국무회의에 보고했으며 강원도가 춘천시와 함께 추진 중인 수열에너지 융복합 클러스터 조성사업을 핵심사업으로 추진하기로 했다.

운동에너지

운동에너지는 운동하는 물체가 가지고 있는 에너지로, 운동에너지는 위치 에너지를 더해 역학적 에너지가 된다. 직선운동을 할 때 운동에너지는 질량에 비례하며, 속도의 제곱에 비례한다. 질량이 m인 물체가 u속력으로 운동할 때의 운동에너지를 구하는 공식은 mv²/2이다. 회전운동을 할 때 운동에너지는 물체가 회전운동을 유지하려는 정도를 나타내는 물리량인 관성모멘트에 비례하며 각속도의 제곱에 비례한다. 어느 에너지와 같이 다른 에너지로 변환 가능하며, 에너지 보존법칙에 따라 전체 에너지는 보존된다. 예를 들면 물체가 자유낙하를 하면서 위치에너지가 감소한 만큼 운동에너지로 변환되고, 지면과 충돌할 때 운동에너지가 소리에너지나 빛 에너지 등으로 변환된다.

전기에너지

전기에너지는 전자의 이동을 통해 전기적으로 발생하는 에너지이다. 전자가 이동한다는 것은 전위차가 발생한다는 의미이고, 이 전위차를 통해 전류가 흐르면서 주위에 일을 하는데 이때의 에너지가 전기에너지로 나타난다. 전기 에너지의 단위는 에너지와 동일하게 줄(J)을 사용한다. 다른 에너지로의 변환이 가장 용이하기 때문에 화력, 수력, 원자력 등의 발전을 통해 만들어내는 가장 기본적인 에너지이다. 더불어 1930년대 물이 풍부한 우리나라 북부지역을 중심으로 부전강, 장진강, 허천강, 압록강 등의 21개 발전소 약 160만kW의 수력발전 설비가 건설되어 우리나라 전체 발전능력이 비약적으로 성장한 시기였다. 평북 삭주군 청수읍 수풍동에 건설된 수풍수력발전소는 1944년 당시 동양 최대로 10만kW의 발전기 7대를 가동하여 연간 42억 5,700kW/h를 발전할 계획이었으나, 결국 발전기 1대가 도착되지 못한 체 60만kW급 규모로 준공되었다. 당시 수풍댐은 압록강 분류를 가로지르는 길이 899.5m 용적 323만 m3 높이 106.4m의 중력식 콘크리트로 축조되었으며, 저수지 면적은 댐에서부터 165km 떨어진 상류 지점에 있는 위원에 이르기까지 총 저수량 116억m3 표면적 345km2에 달하는 방대한 규모로 조성되었다. 100m 낙차 시 초당 66m3 를 방류하는 발전력과 동양 최초의 22만 볼트(V)급 초고압 송전시설을 갖추어 남한까지 전력을 공급했던 수풍수력발전소는 당시 세계 전력사업계를 놀라게 한 대규모 발전 사업으로 역사에 기록되고 있다.

화학에너지

화학에너지는 화학 결합이나 물질에 가해진 화학 변화에 의해 방출하고 흡수되는 에너지로, 분자들의 화학결합에 의해 저장되어 있는 에너지다. 일반적으로 에너지를 내뿜는 화학 반응을 발열반응이라 하고, 에너지를 흡수하는 화학 반응을 흡열반응이라 한다. 열에 의한 화학 에너지의 변화가 대부분이긴 하지만 빛이나 전기 등 전자기파의 에너지에 의해서도 화학 에너지가 변할 수 있다. 흔히 사용하는 리튬전지 등의 건전지 역시 축적된 화학 에너지를 전기 에너지로 출력하여 사용하고 있는 예이다. 화학에너지의 변화는 빛이나 열뿐만 아니라 전기에너지에 의해서도 일어난다. 전지는 축적된 화학에너지를 전기에너지로 출력하고 있다. 또한 석탄, 석유 등의 화학 에너지를 연소시켜 얻는 열에너지로 고온, 고압의 수증기를 만들고, 이 수증기의 압력으로 증기 터빈을 돌려 운동에너지를 발생시키고, 이에 연결된 발전기에서 전기를 얻는다. 즉, 화학에너지, 열에너지, 운동에너지, 전기에너지 순서대로 진행된다.

빛 에너지

빛 에너지는 빛의 에너지로, 빛이 전자기파의 일부 영역에 해당되는 가시광선의 의미로 사용되므로 빛 에너지를 가시광선의 에너지로 사용할 수도 있지만, 넓은 의미로는 모든 전자기파의 복사에너지로 정의될 수 있다. 빛 에너지는 빛의 속도로 진행하는 에너지의 흐름을 어떻게 보는가에 대한 빛의 성질과 관련하여 정의할 필요성이 있다. 빛을 광자처럼 입자로 보는가 또는 전자기파처럼 파동으로 보는가에 따라서 서로 다른 방법으로 접근할 수 있다. 빛을 입자로 취급하는 양자역학의 관점에서는 빛을 광자라고 불리는 입자들로 구성된 것을 확인할 수 있다. 2020년 7월 2일, 포항공과대학교는 화학과 연구팀이 빛 에너지를 사용하는 광합성을 통해 빛을 양분으로 만드는 태양전지용 초분자체를 발견했다. 포피린 박스라는 유기 상자 물질을 쌓으면 생기는 공간에 여러 개의 풀러렌 분자를 가둠으로써 포피린-풀러렌 결정체를 합성하여 식물의 잎에서 광합성을 담당하는 엽록소의 복합체는 여러 개의 분자가 독특한 배열 구조를 이루고 이들의 상호작용이 발생해 높은 효율로 빛 에너지를 화학 에너지로 변환시켜주는 특징을 보인다. 교신저자인 김기문 교수는 “합성한 결정체는 태양광 발전 시스템의 기초 소재로서, 작은 빛에도 많은 전기에너지를 발생시킬 수 있을 것으로 기대한다”라며 고효율의 신재생 에너지 소재 디자인에 기대감을 드러냈다. 더불어 태양광 발전은 태양의 빛 에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전 기술로 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식이다. 태양광 발전시스템은 태양전지로 구성된 모듈과 축전기 및 전력변환장치로 구성되어 있다. 태양전지에 의한 발전원리는 빛 에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것이다. 빛 에너지를 이용한 태양광의 장점은 에너지원이 청정하고 무제한으로 사용이 가능하며 필요한 장소에서 필요한 발전기능이 있다. 또한 유지보수가 용이하고 무인화가 가능하며 한 번 설치하면 20년 이상 긴 수명을 유지할 수 있다.

소리에너지

소리에너지는 공기와 같은 물질의 진동에 의해 전달되는 에너지이다. 진공, 기체, 액체, 고체 순으로 소리의 속력이 빨라지며 진공 상태에서는 소리가 없어진다. 2007년 미국의 유타대 연구진은 소리에너지를 통해 전기에너지를 생산할 수 있는 장치를 고안하여 에너지 자원 분야를 개척하여 열을 소리로 전환한 후 전기를 생산할 수 있는 소형 장치를 개발했다. 이 장치의 핵심적인 기술은 폐기열을 전기로 전환하는 것이다. 폐기물은 새로운 형태의 자원으로 간주되고 있으며 폐기물을 억제함으로써 긍정적인 환경 영향을 가져올 수 있기 때문에 폐기물의 적극적인 관리 및 처분을 통하여 새로운 형태의 재생에너지 자원을 창출하는 것이 폐기물 처분의 궁극적인 목표로 자리 잡고 있다. 연구진이 개발한 음향 열 엔진 장치의 핵심적인 기술은 열을 전기로 전환하기 위하여 소리을 이용한다는 것이다. 두 가지 핵심 단계 중 첫 단계는 열을 음향으로 전환하는 것이고, 이후 두 번째 단계는 기존 기술을 이용하여 음향을 전기로 전환하는 것이다. 이 단계에서 음파는 압전 장치에 압력을 가해 전기 전압을 만들어낸다. 음향 열 엔진 장치의 장점은 이동성 부분을 추가하지 않고 열을 소리로 전환한 후 다시 전기로 전환할 수 있다는 점이다. 또한 유지 보수가 거의 필요하지 않고 오랜 시간 동안 이용할 수 있다. 추가적으로 이 장치들은 정밀성을 요하지 않으며 마모에 따른 효율성 저하도 없다는 특징이 있다.

위치에너지

위치에너지는 물체가 그 위치에서 잠재적으로 지니는 에너지로 중력 등의 포텐셜힘의 작용을 받고 있을 때 정지된 물체의 에너지는 그 위치에 따라 다르며 이와 같이 물체의 위치에 따라 정해지는 에너지를 말한다. 질량 m의 물체를 P의 위치에서 h만큼 높은 위치 P로 옮기기 위해서는 mgh의 에너지를 외부에서 주지 않으면 안되고 이 에너지는 물체를 P에 정지된 상태에서 인력에 거슬러 P에 정지된 상태로 옮기는 데 필요한 것이며 점 P에 있는 물체는 점 P에 있을 때보다 mgh만큼 큰 위치에너지를 가진다. 위치 에너지의 값은 다른 위치에서의 값에 대한 차만이 의미를 가진다. 댐의 물이 낙하하여 터빈을 회전시키면 전기 에너지가 발생하는데, 이 전기 에너지는 댐의 물의 위치 에너지가 그 형태를 바꾼 것이다. 수평면 위에서는 마찰력에 거슬러서 물체의 위치를 바꾸어도 물체의 위치 에너지는 증감하지 않는다. 이 때 외부에서 주지 않으면 안되는 에너지는 물체의 이동경로의 거리에 따르며 처음과 끝의 위치만으로 결정되지는 않는다. 이에 대해 외력의 작용을 받는 정지된 물체의 위치를 점 r에서 점 r까지 옮기는 데 외부에서 가해야 할 에너지가 두 점의 위치에 의해서만 결정되는 경우가 많다.

참고자료

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• Chandler, 〈에너지의 종류 5가지〉, 《인사이드 인사이트》
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• 대한사업안전협회, 〈안전한 청정 연료, 수소 에너지!〉, 《네이버 블로그》, 2021-03-05
• 〈열에너지〉, 《네이버 지식백과》
• 데스크, 〈그린뉴딜 시대,수열에너지가 주목받는 이유〉, 《강원도민일보》, 2020-07-29
• 사이언스올, 〈운동 에너지(kinetic energy)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
• 사이언스올, 〈전기 에너지(electrical energy / electric energy)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
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• 〈빛 에너지〉, 《네이버 지식백과》
• 김지연 기자, 〈POSTECH, 빛에너지를 화학에너지로...태양전지용 초분자체 발견〉, 《케미컬뉴스》, 2020-07-06
• 한국에너지공단 신재생에너지센터 공식 홈페이지 - https://www.knrec.or.kr/energy/sunlight_summary.aspx
• 한국과학기술정보연구원, 〈소리로 전기를 만들다〉, 《사이언스타임즈》, 2007-06-28
• 사이언스올, 〈위치에너지(potential energy)〉, 《사이언스올》, 2010-08-20

같이 보기

• 전기에너지
• 열에너지
• 운동에너지

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