[딱 정리] 에너지와 일의 차이, 단위가 같은 이유까지 쉽게 설명!

에너지와 일의 차이

 

 

안녕하세요. 정리남입니다. 

 

각 산업을 이해하는데에 필요한 기초지식을 

꼭 필요한 내용들로 딱 정리하는 '딱정리' 포스팅입니다. 

 

 

 

에너지, 열량, 칼로리
다들 이해 가시나요 ?

 

에너지란, 물리학에서 '일 할 수 있는 능력'을 말합니다. 

그런데 일이란 물체에 힘을 가해 이동시키는 것이라 하고요. 

일과 에너지의 단위는 모두 J[줄]이라는 단위를 쓴다고 하네요. 

 

열량이란, 물체가 주거나 받는 '열의 양'을 말한다고 합니다.

그런데 이것은 곧 '에너지의 양'이라 하네요.

그리고 열량의 단위로는 보통 칼로리를 쓴다고 합니다. 

 

모두 무슨 의미일까요. 쭉 이어가 보죠.

 

 

 

 

'일'이란, 물리학에서 일의 의미

 

'물리학'에서 '일'은 Work라 하며 약자로 W라 합니다. 그리고 물리학에서의 일이란 '물체에 힘을 가해 이동시키는 것' 으로 정의됩니다. 따라서 어떠한 힘(F)으로 물체를 밀어 어떠한 거리(s)를 이동했다면 한 '일의 양'은 F x s라는 물리량으로 표현 가능하며, 이때 단위는 J[줄]이 됩니다. ▶ 일의 양(W, work) = 힘(F, force) x 이동거리(S, spatium) = FS

 

 

 

물체를 수직으로 들어올리는 경우 역시 한 일의 양을 구할 수 있습니다. 일의 양(W) = 힘(F) x 이동거리(s) 공식으로 구할 수 있는데 여기에서 물체를 들어올리는 힘은 중력과 같습니다. 모든 물체는 지구 중심 방향으로 중력이 작용하는데, 어떠한 물체를 들어올릴때에는 이 중력 이상의 힘을 반대 방향으로 가할때 들어올려지게 되기 때문입니다. 그리고 어떠한 물체에 작용하는 중력은 중력가속도 9.8m/s^2 x 물체의 질량[kg]으로 구할수 있습니다. 

 

 

에컨데 헬스장에 100kg 짜리 덤벨이 바닥에 놓여져 있다고 가정하겠습니다. 이 덤밸 들어올릴 경우 이 물체가 지닌 지구 중심으로 향하는 중력은 9.8m/s^2  x 100kg = 98kg·m/s^2 = 98N 이 되는 것입니다. 만약 우리가 이 덤벨을 1m 위치까지 들어올리고 있다고 한다면 1m 위치에서 우리가 물체게 가하는 힘은 위쪽으로 98N의 힘을 가하고 있는 것입니다. 

 

 

따라서 100kg의 덤벨을 1m 들어올렸다고 한다면 이 물체에 한 일의 양은 

일의 양(W) = 9.8m/s^2 x 100kg x 1m = 98N x 1m = 98N·m = 98J 이 됩니다.

 

▶ 일의 양(W, work) = 질량(m) x 중력(g) x 이동거리(h, height) = mgh

 

 

 

 

 

 

 

에너지란, 에너지의 의미

 

물리학에서 에너지(Energy)는 '어떠한 물체가 일 할 수 있는 능력'으로 정의되는데요, 

일은 '물체에 힘을 가해 이동시키는 것'이므로 에너지란, '물체에 힘을 가해 이동시킬 수 있는 능력'이 될 것입니다. 

만약 어떠한 물체에 '일'을 해준다면, 일을 받은 물체는 그 물체가 받은 일의 양 만큼의 에너지가 생기게 됩니다. 

 

 

무슨말인지 잘 이해가 좀 힘드시죠?

 

 

예컨데 100kg의 덤벨을 1m 들어올렸을 경우 위에 말씀드린것처럼 우리가 이 덤벨에 한 일의 양은 98J 이 되죠?  이 경우 덤벨 입장에서는 98J 만큼 일을 받은 것이므로 이 덤벨은 98J만큼의 에너지를 얻게 된 것입니다. 98J만큼의 에너지를 얻게된 덤벨의 의미는 다시 이 덤벨이 98J 만큼의 일을 할 수 있다는 의미입니다. 즉 우리가 물체에 일을 하면 그 물체는 우리가 한 만큼의 일을 에너지로 가지게 되는 것입니다.

 

 

[정리]

- 우리가 물체에 10만큼의 일을 하면 ▶ 일은 10만큼의 일을 받는 것같다. ▶ 10만큼의 일을 받은 물체는 10만큼의 에너지가 생긴것과 같다 ▶ 10만큼의 에너지가 생긴 물체는 다시 (다른 물체에) 10만큼의 일을 할 수 있는 능력이 생긴 것이다 

- 즉, 우리가 물체에 일을 하면 물체는 그만큼의 에너지를 갖게 된다. (이것을 기억)

 

 

 

 

 

 

만약 들고 있던 덤벨에 주고 있던 힘을 빼서 바닥에 떨어뜨린다고 가정하겠습니다. 그런데 떨어뜨린 그 지점에 만약 못이 하나 있다면 덤벨에 의해 못은 땅에 박히겠죠. 덤벨이 가진 에너지가 덤벨이 떨어지며 못에 힘을 가해 못이 바닥에 박히게 한 것(못이 땅 속으로 이동하게 한 것)인데요, 일이란 힘을 가해 물체를 이동시키는 것이라 하였으므로 덤벨이 가진 에너지를 통해 못이라는 물체에 일 한 것입니다. 인간이 들어올리는 힘을 받은 덤벨은 그 일의 양만큼 에너지를 받아 다른 물체에 일할 수 있게 하는 능력을 지니게 된 것이죠  

 

 

 

 

 

덤벨이 떨어지며 바닥에 못을 박는 것 또는 지나가는 자동차가 정차되어 있는 자전거를 쳐서 멀리 이동시키 것 이 모두 덤벨과 자동차에는 어떠한 다른 물체에 일을 할 수 있게 하는 능력이 있는 것입니다. 따라서 에너지를 지니고 있다고 하는데요 이 에너지의 종류는 다양합니다. 

 

 

 

 

 

 

 

예를들어 덤벨이 높은 곳에서 중력을 거슬러 가지고 있는 에너지는 '위치에너지' 라고 하며, 이동하는 자동차가 지니고 있는 에너지는 '운동에너지'라 합니다. 운동에너지는 무게가 무거울수록 속력이 빠른 물체일 수록 커집니다. 이는 아주 상식적인 것인데요, 돌진하는 황소와 달려오는 사람 중 어느 것에 부딪혔을때 더 파괴력이 클지를 생각하면 되고요, 같은 자동차라 하더라도 30키로 속력과 100키로 속력 둘 중 무엇의 파괴력이 더욱 클지 생각해보면 또 알 수 있습니다. 따라서 ▶ 운동에너지(Ek) = 1/2 x 질량(m) x 속력^2(v^2)이라는 공식으로 물리량을 표현할 수 있습니다.

 

 

반면 위치에너지의 경우 높이가 높을 수록, 질량이 클수록 커집니다. 100kg의 덤벨을 떨어뜨릴때 1m위치에서보다 3m위치에서 떨어뜨렸을때 파괴력이 크며, 10m에서 덤벨을 떨어뜨린다 하더라도 500g의 덤벨과, 3kg의 덤벨 둘 중 파괴력은 3kg가 훨씬 클 것임을 생각해보면 이해 가능합니다. 따라서 ▶ 위치에너지 = 질량(m) x 중력가속도(g) x 높이(h)라는 물리량으로 표현할 수 있습니다. 

 

 

 

 

 

에너지와 일의 단위는 왜 같을까?

 

그렇다면 일과 에너지의 단위는 모두 J[줄]로 왜 동일하게 사용할까요 ?

위에서 덤벨에 한 일의 양을 구할때 일의 양 = mgh 로 구했죠? 그런데 위치에너지도 = mgh로 구했습니다. 이는 덤벨에 한 일의 양이 덜벨 입장에서는 '그만큼의 에너지로 전환되어 일할 수 있는 능력이 생긴 것임을 나타내는 것이라 할 수 있는데요 그래서 일의 양과 에너지 모두 동일하게 J이라는 단위를 사용하는 것이라 이해할 수 있습니다. 

 

 

 

정리

1. 물리학에서의 일이란 '물체에 힘을 가해 이동시키는 것' 

▶ 일의 양(W, work) = 힘(F, force) x 이동거리(S, spatium) = FS

▶ 일의 양(W, work) = 질량(m) x 중력(g) x 이동거리(h, height) = mgh

 

2. 물리학에서 에너지(Energy)는 '어떠한 물체가 일 할 수 있는 능력'

우리가 물체에 10만큼의 일을 하면 ▶ 일은 10만큼의 일을 받는 것같다. 

▶ 10만큼의 일을 받은 물체는 10만큼의 에너지가 생긴것과 같다 

▶ 10만큼의 에너지가 생긴 물체는 다시 (다른 물체에) 10만큼의 일을 할 수 있는 능력이 생긴 것이다.

     즉, 우리가 물체에 일을 하면 물체는 그만큼의 에너지를 갖게 된다. (이것을 기억)

▶ 운동에너지(Ek) = 1/2 x 질량(m) x 속력^2(v^2)이라는 공식

▶ 위치에너지 = 질량(m) x 중력가속도(g) x 높이(h)

 

 

본 내용을 바탕으로 '열량'까지 이어질 예정입니다.

열량은 석유화학 산업을 이해하는데 필요한 내용입니다. 기대 많이해주세요~

 

 

 

 

참고자료

https://www.youtube.com/watch?v=IGdvJvxd_jk

https://www.youtube.com/watch?v=WLyzRtVAtEs

https://www.youtube.com/watch?v=2vPvx8MQ0PM

 

 

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