에너지(energy), 일(work), 열(heat), 온도(temperature), 파워(power). 힘(force) 같은 용어가 헷갈린다.
정의가 부정확할지 몰라도, 이해하기 쉽게 풀어보았다. 단위를 중점적으로 살펴보자.
에너지(energy) : 물질이 가지고 있는, 일을 할 수 있는 능력
힘(force, F) : 질량을 가진 물체의 속도를 변화시키는 요인. 단위는 N [kg·m·s−2]
일량(work) : 질량을 가진 물체에 힘을 작용하여, 위치를 이동시켰을 때 들어간 에너지의 양. 단위는 J [N·m, kg·m2·s−2]
일률(power) : 단위시간당 일. 단위는 W [J/s, kg·m2·s−3]
온도(temperature) : 분자운동이 활발한 정도로, 열의 형태로 이동할 수 있게 하는 포텐셜. 단위는 K
열량(heat) : 두 물체간 온도 차이에 의하여 이동한 에너지의 양. 단위는 J [kg·m2·s−2]
열 유속(heat flux) : 단위시간당 단위면적을 통과한 열. 단위는 W/m2 [J·m-2·s−1, kg·s−3]
에너지(Energy)
에너지란
물질이 가지고 있는, 일을 할 수 있는 능력이라고 이야기할 수 있다.
힘(Force)
질량을 가진 물체의 속도를 변화시키는 요인.
일(Work)
일은 힘 × 거리(
어떤 것에 힘(F)이 작용하여 거리 s만큼 이동하였을 때 일을 하였다고 한다.
질량이 1 kg이고 가속도가 1 m/s2일 때 힘은 1 N이다.
힘 1 N으로 거리 1m를 이동하였을 때의 일은 1 J이다.
그럼 이제 역학에서 정의한 일을 일상생활에서의 일과 비교해 보자.
생활에서의 일은 무거운 돌멩이 또는 무거운 짐을 들어올리거나 삽으로 흙을 퍼올리면 일을 하였다고 말한다.
이것은 중력을 받고 있는 지표상에서 중력의 역방향으로 물체를 이동시켰기 때문에 일을 한 것이다.
그리고 무엇인가를 돌게 만들었을 때 일을 하고 있다고 말한다.
토크를 받고 있는 상황에서 일정한 각 변위량을 만드는 것을 일을 한다고 말한다. 우리가 사용하는 거의 모든 기계장치들, 즉 자동차, 모터, 심지어 비행기도 그 안에 있는 많은 부분이 돌아가는 장치이며 이들을 회전하도록 만드는 것이 일이다.
일을 할 수 있는 능력이 에너지이며
이러한 능력을 물질이 갖고 있으면 그 크기는 물질의 상태에 따라 결정되는 고유한 값이다.
온도 (Temperature)
온도란 온도계에 나타나 있는 눈금이며, 춥고 더운 정도를 나타내는 척도이다.
온도를 조금 더 과학적으로 설명할 수는 없을까?
거시적으로 온도란 열의 형태로 에너지가 이동하게 하는 포텐셜 (잠재적인 능력, Potential) 이라고 말할 수 있다.
미시적인 관점에서 보았을 때에는 분자운동이 얼마나 활발하냐는 Kinetic energy 척도라고 할 수도 있다.
열 (Heat)
일상생활에서 에너지, 온도, 열이라는 것들을 아주 가깝게, 그리고 친숙하게 사용하고 있지만, 이것들을 정확하게 사용하고 있는가 다시 생각해 볼 필요가 있다는 것을 발견하게 된다. 에너지, 온도, 그리고 열은 다른 것 같기도 하고 비슷한 것 같기도 한데 그럼 열이란 무엇일까?
열을 구체적으로 설명하자면, 먼저 잘 정돈되지 않은 분자들의 운동에너지라고 정의할 수 있고
또한 온도차에 의해서 이동중인 에너지라고 정의 내릴 수 있다.
열의 단위는 칼로리(cal)를 사용한다.
1 cal는 물 1g의 온도를 1
(여기서 연소의 반응열, 혹은 증발 잠열들이 과연 열이냐 하는 것은 더욱 자세히 관찰해 보아야 할 사항이다.)3
그럼 열은 에너지가 아닌가?
앞서 설명한 바와 같이 에너지란 일을 할 수 있는 능력이라고 했는데 그럼 열은?
일은 열로 변환이 가능하다
즉 열도 에너지다.
열과 일의 상관관계를 줄(James Prescott Joule, 1818-1889)이 줄의 실험으로 입증하였다.
줄은 그림과 같은 장치를 만들과, 용기로 열이 들어가지 못하도록 단열하고 나서, 끈에 매단 물체가 중력에 의해 내려갈 때 물속에 있는 프로펠러가 회전하게 하였다. 실험 추의 낙하거리에 따라 온도가 올라가는 것을 측정하였고
열량 1 cal(대기압에서 물 1g를 1도 올리는 열량)를 얻기 위해서는 일 4.184 J이 필요하다는 것을 알게되었다.
이 실험을 통해 일과 열의 단위를 모두 줄(J)로 나타낼 수 있다. 즉 열도 일을 할 수 있는 에너지이다.
에너지는 일을 할 수 있는 능력이다.
일은 열과 대등하다 (줄의 실험을 통해 입증)
따라서, 열은 에너지이다.
온도는 유체가 갖는 성질이지만,
열은 유체들 간 에너지 전이의 척도이다. 열은 유체의 본질적 특성(온도, 압력, 부피)가 아니다.
기체 운동론에 따르면
유체의 온도는 그 분자들의 평균 운동 에너지이고,
유체들 사이에 전이되는 열은 그 분자들의 전체 운동 에너지의 총 변화량이다.
온도와 열의 관계는 높이와 위치에너지 관계와 비슷하다.
위치에너지는 기준 높이보다 얼마나 높은 곳에 위치하느냐에 따라 결정된다. 즉, 측정하는 물체의 높이와 기준 높이의 차이만큼 위치에너지가 결정된다.
열도 기준 온도에 비해 얼마나 온도차이가 있느냐에 따라 결정이 된다.
열은 변화를 측정하지만 온도는 상태를 측정한다.
관련된 유체의 온도가 다를 때만 열전도가 가능하다.
열전도의 방향성이 있는데,
온도가 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 열에너지가 이동한다.
이 것은 논리적으로 열역학 1법칙보다 우선하기 때문에 열역학 0법칙이라고 불린다.
열에너지(thermal energy)와 열(heat)의 차이는 무엇인가?
기체 운동론에 따르면,
분자들은
원자들의 화학적 결합으로 분자구조를 유지하는 화학에너지(chemical energy)와
분자들이 온도에 따라 진동하고, 회전하고, 움직이는 열에너지(thermal energy)를 가지고 있다.
분자가 가지고 있는 이러한 에너지를 내부에너지(internal energy, U)라고 한다.
온도는 이러한 내부에너지의 척도인 셈이다. 얼마나 내부에너지를 많이 가지고 있는지 다양한 방법으로 측정하는 것이다.
앞서 말한 것 처럼
열(heat)은 다른 온도(내부에너지)에 의해 이동하는 에너지량(변화량)이다.
(제가 이해한 바로는 이렇습니다~잘못된 부분이 있으면 알려주시면 감사하겠습니다)
참고문헌.
[1] 세계를 바꾼 17가지 방정식, 이언 스튜어트, p.322
2014.04.11 작성
2014.04.14 수정
2015.11.15 power 추가
2016.09.16 온도와 열 추가 (문장정리 필요)
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