에너지보존법칙

요약 에너지가 다른 에너지로 전환될 때, 전환 전후의 에너지 총합은 항상 일정하게 보존된다는 법칙.

운동에너지, 위치에너지, 열에너지, 빛에너지, 소리에너지, 전기에너지, 화학에너지 등 많은 형태의 에너지들은 갑자기 생기지도 않고 사라지지도 않는다. 서로 모습을 바꾸어 나타날 뿐이다. 에너지가 다른 에너지로 전환될 때, 전환 전후의 에너지 총합은 항상 일정하게 보존된다는 것이 바로 '에너지보존법칙'이며, 이는 물리학의 기본 법칙이다. 특수상대성이론에 따르면 질량이 곧 에너지가 되므로 에너지보존은 질량보존과 함께 다루어지기도 한다.

에너지보존법칙의 발견

19세기 이전에는 기계적 작용과 열 작용은 전혀 다른 것으로 생각되었다. 기계적 작용은 직접 닿은 물체끼리 힘을 전달하는 것으로 생각되었고, 열은 열소라는 입자가 이동하는 것으로 생각되었다. 이후 마찰열에 대한 연구로 열소가 이동하는 것이 아니라 마찰을 일으키는 운동이 열로 바뀐다는 것이 밝혀졌고, 물리학자 제임스 줄은 증기기관과 발전기를 이용해 전류를 기계적 일로 바꾸는 방법과 일과 열의 관계에 대해 연구하여 열의 일당량(1cal = 4.2J)을 측정해냈다. 이후 증기기관, 발전기, 전동기 등과 같이 열은 운동으로, 운동이 전기로, 전기는 다시 운동으로 바뀌는 현상을 바탕으로 19세기 중반 '에너지'라는 개념이 생성되었고, 1840년대 독일의 율리우스 마이어는 열에너지와 운동에너지의 관계 등을 다룬 논문에서 우주 전체의 에너지보존에 대해 다루지만, 당시에는 학계의 인정을 받지 못하였다. 30여년이 지나고 에너지보존법칙에 대한 연구가 다시 시작된 1870년대에 들어서야 그의 업적이 인정되었다.

에너지 전환의 예

증기기관에서는 수증기 분자의 '열에너지'가 터빈의 '운동에너지'로 바뀐다. 수력발전소에서는 물의 '위치에너지'가 터빈의 '운동에너지'로, '운동에너지'가 다시 발전기를 거쳐 '전기에너지'로 바뀐다. 반면 전동기에서는 '전기에너지'가 '운동에너지'로 바뀐다. 이때 전환 전의 에너지의 총량은 전환 후의 에너지의 총량과 같다. 하지만 실제 전환과정에서는 마찰이나 저항에 의한 열이나 소리가 발생하게 된다. 전동기의 예를 들었을 때, 전기에너지의 총량과 운동에너지의 총량을 비교하면 운동에너지의 크기가 항상 작게 산출되는데, 이때 운동에너지에 모터에서는 나는 소리, 열 등의 에너지를 모두 합하면 처음의 전기에너지의 총량과 같아진다.