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나도 에너지를 만들 수 있을까?
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  • 에너지 보존법칙과 에너지 전환

    에너지는 ‘일을 할 수 있는 능력’을 말한다. 장난감 자동차를 움직이게 하려면 경사면이 높은 곳에 놓거나 건전지를 사용하면 되는데 이때 위치에너지와 전기에너지가 필요하다. 이처럼 에너지의 종류는 운동에너지, 위치에너지, 열에너지, 빛 에너지, 소리에너지, 전기에너지, 화학에너지 등 많은 형태가 있다.

    자연계에서 항상 적용되는 법칙이 '에너지 보존의 법칙'이 있다. 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환될 수 있어도 에너지의 총합은 항상 일정하다는 것이다. 예를 들어, 장난감 자동차를 경사면 위에 놓으면 내려간다. 이때 장난감 자동차가 가지는 위치에너지가 점점 운동에너지로 전환 되면서 빨라지지만 처음 자동차가 가진 에너지 총합은 자동차가 지면에 닿았을 때의 에너지 총합과 같다는 것이다.

    19세기 중반에 열에너지가 운동에너지로 전환된 증기기관이나 전기에너지가 운동에너지로 전환되는 전동기 등을 바탕으로 '에너지'라는 개념이 생겼다. 1842년대 독일의 로버트 마이어(Robert Meyer, 1814 ~ 1878)는 『무생물계의 힘에 관하여』에서 “물체의 낙하 운동, 열, 자기, 화학적 에너지는 모두 동일한 대상이며, 단지 여러 가지 현상과 형태를 취한 것뿐이다.”라고 하며, 에너지 보존법칙에 관한 이론을 발표하였다. 하지만 당시에는 학계의 인정을 받지 못하다가 1870년대에 들어서야 ’에너지 보존 법칙’이 자연과학 전반에 적용되는 근본 법칙임을 인정받았다.

    제임스 줄(James Joule, 1819 ~ 1890)은 마이어와는 독립적으로 정량적인 실험을 통하여 같은 결론에 도달하였다. 1840년 바늘을 통하여 흐르는 전류에 의해 생기는 열을 이용한 전류의 열 효과에 대한 연구를 통해 전기에너지가 열에너지로 전환되는 것을 발견하였다. 또한 1843년 추를 낙하시켜 추의 위치에너지가 물의 온도를 올리는 실험장치를 만들어 에너지와 열과의 관계를 밝혀 냈다.

    이와 같이 에너지는 여러 형태로 전환이 된다. 최근에는 화석연료로 인한 환경문제 에너지 고갈 문제의 해결책으로 태양에너지, 지열에너지, 바이오에너지, 수소에너지 등 신재생에너지를 실용화하고 있다. 또한 지속 가능한 에너지 생산을 위하여 걸어 다니면서 몸의 움직임을 통해 전기를 생산하거나, 계단을 오르거나 내릴 때의 누르는 힘에 의해 전기를 만드는 등 자연이나 인간의 동력을 통해서도 전기 에너지를 얻는 방법들이 실용화되고 있다.

     
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