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1. 개요2. 물리학
2.1. 뉴턴 역학2.2. 라그랑지언과 해밀토니언 역학2.3. 상대론적 역학2.4. 양자역학2.5. 운동량과의 차이점2.6. 에너지의 단위와 예시2.7. 에너지 분석2.8. 문서가 있는 에너지들
3. 전력을 만들어내는 자원
3.1. 관련 문서
4. 신체능력5. 창작물에 등장하는 미지의 힘, 물질, 파동
5.1. 관련 문서
6. 기타 "에너지"가 제목에 들어가는 문서

1. 개요

Energy

물리학에서 을 할 수 있는 능력.

영어 energy는 그리스어로 활동, 운동을 뜻하는 Ενέργεια(Energia)에서 비롯되었는데 Ενέργεια는 안(in)을 뜻하는 Εν(en)와 일(work)을 뜻하는 ἔργον(ergon)의 합성어이다.
18~19세기 물리학을 비롯한 과학 분야의 발전으로 물리 현상 전반에 내재된 본질적인 개념의 필요성이 대두되었고 1802년 토마스 영이 자신의 자연철학 강의에서 '을 할 수 있는 능력'의 정의로 '에너지'라는 용어를 처음으로 도입하였다. 이후 상대론적으로는 사차원 운동량 벡터의 0번째 성분이라는 정의도 붙게 되었다. 운동량이라는 개념과 혼동하기 매우 쉽다. 과학과 그다지 친하지 않은 대부분의 매체에서는 에너지라는 개념을 보통 생각하는 힘의 원천 비스무리한 것으로 생각하고 사용한다

2. 물리학

에너지는 운동량과 더불어 물리학에서 가장 본질적인 개념 중 하나이다. 각 역학 이론들은 에너지를 어떻게 정의하냐에서 시작한다고 볼 수도 있다. 뉴턴역학부터 시작하여 새로운 역학이 등장함에 따라 에너지의 정의는 점차 확장되어 왔다.

2.1. 뉴턴 역학

기본적으로 에너지의 개념은 '일'과의 관계로 설명할 수 있다. 아래의 수식은 일이 운동에너지의 차이임을 나타낸다. 즉, 어떤 물체에 일을 해주면 운동에너지가 바뀐다는 점을 알려준다.

[math( W = \Delta E_k = \frac{1}{2}m{v_f}^2 - \frac{1}{2}m{v_i}^2)]

일은 (그리고 위의 수식에 따라 에너지 또한) 일반적으로 다음과 같은 선적분으로 정의된다. 즉, 특정 경로 C를 따라서 각 위치에서 물체에 가해진 힘과 매우 작은 변위의 내적 [math(\mathbf{F} \cdot d \mathbf{r})]를 모두 더한 것이다.

[math( W = \displaystyle \int_{C} \mathbf{F} \cdot d \mathbf{r} )]

수식에 익숙하지 않은 위키러들을 위해 식을 더 간단하게 만들자면, 일차원에서 일은 다음과 같이 써도 무방하다.

[math( W = \displaystyle \int_{x_1}^{x_2} F(x) \ dx)]

위 두 식은 본질적으로는 일이 힘의 위치에 대한 적분임을 나타낸다.

일과 에너지는 서로 정적분과 부정적분의 관계를 형성한다. 에너지는 힘의 위치에 대한 부정적분이며 일은 힘의 위치에 대한 정적분이라고 생각하면 이해에 도움이 된다.

에너지는 운동량과 더불어 물리학에서 가장 기본이 되는 물리량이다. 에너지 보존 법칙은 닫힌 계에서 에너지의 총량은 일정하다는 점을 말해준다. 에너지가 여러 가지 형태로 존재할 수는 있지만 다 합하면 일정하다는 뜻이다. 이러한 보존법칙의 중요성은 특정 조건(닫힌 계)을 만족하는 임의의 계에 대해 성립한다는 점에서 대두된다. 쉽게 말하자면, 지구부터 시작해서 작은 입자들의 세상, 그리고 넓게는 우주까지 이 '계'의 범위를 조정할 수 있기 때문에 범우주적인 법칙이라고 할 수 있다. 이러한 이유로 에너지의 개념은 물리학에서 매우 중요하게 다루어진다.

2.2. 라그랑지언과 해밀토니언 역학

공학 이상의 교육과정에서 흔히 보이는 라그랑지언 [math(\mathscr{L})] 및 해밀토니안 [math(\mathcal{H})]이라는 양이 물체의 에너지와 관련된 양이다. 라그랑지안은 퍼텐셜과 운동 에너지의 차이, 해밀토니안은 둘의 합[1]을 의미. 에너지가 스칼라이기 때문에, 계산이 벡터인 힘을 직접 사용해 물체의 운동을 구하는 것보다 쉬워지는데, 예를 들면 라그랑지안에 최소작용원리를 적용하면 힘의 작용점 분석 없이도 힘에 대한 식(운동방정식)이 얻어진다. 그렇기 때문에 개념상으로도 중요한 양들이다. 뭐 굳이 대학교 과정까지 안 가고, 중고등학교 수준 정도만 되어도 일-운동에너지 정리만 적당히 이용하면 뉴턴 방정식 없이도 수많은 형태에서의 운동 방정식을 구할 수 있다.

2.3. 상대론적 역학

상대성이론이 등장한 이후 질량과 에너지는 정확히 일정한 양으로 변환시킬 수 있다는 질량-에너지 동등성이 알려졌다. 다시 말해서 정해진 양의 질량은 언제나 같은 양의 에너지로 변환되며 그 역도 성립한다는 것. 또한 본격적으로 4차원의 관점이 쓰이면서 에너지, 운동량, 밀도, 유량 등을 하나로 묶은 에너지-운동량 텐서가 도입된다.

2.4. 양자역학

양자역학에서는 해밀토니안에서의 최소 시간 원리 같은 관점이 발전적으로 사용되면서 에너지 운동량 연산자로 정의한다. 또한 입자의 운동량과 위치를 동시에 알 수 없다는 불확정성 원리는 에너지와 시간에 대해서도 동시에 성립한다.

20세기에 에미 뇌터에 의해 증명된 뇌터 정리는 물리 법칙의 보존법칙이 존재한다면 그에 따른 물리적 대칭성이 존재한다는 정리이다. 그중 에너지에 대해서는 에너지가 보존되면 시간에 대한 물리법칙의 대칭성이 존재하며, 역으로 물리법칙이 시간에 대한 대칭성이 존재하면 에너지가 보존된다는 내용이 존재한다. 다시 말해 에너지 보존 법칙이 성립한다면 물리 법칙이 시간에 따라 변하지 않는다는 뜻.

2.5. 운동량과의 차이점

운동량과 에너지는 자주 혼동된다. 하지만 이들을 자세히 비교/대조하면 공통점과 차이점을 더 분명히 파악할 수 있다. 에너지와 운동량은 위치에 대한 적분인지 시간에 대한 적분인지의 여부에 따라 구분될 수 있다.

운동량의 변화량 [math( \Delta \mathbf{p} )] (또는 충격량 [math( \mathbf{J} )]는) 이렇게 정의된다.

[math( \mathbf{J} = \Delta \mathbf{p} = \Delta (m\mathbf{v}) = \displaystyle \int_{t_1}^{t_2} \mathbf{F}(t) \ dt )]

즉, 일(에너지)은 힘의 위치에 대한 적분인 반면, 운동량은 힘의 시간에 대한 적분이다.

또한, 충격량이 힘의 시간에 대한 정적분이고 운동량이 힘의 시간에 대한 부정적분라고 생각해도 무방하다.

에너지 보존 법칙과 비슷하게 운동량 보존 법칙도 있다. 운동량 보존 법칙은 외력이 작용하지 않는 어떤 계에서 운동량은 일정하다는 것을 알려준다. 이것은 뉴턴 법칙과 관련지어 생각하면 이해하기 쉽다. 뉴턴의 제2 운동법칙 [math( \mathbf{F} = m \mathbf{a} )]는 일반적으로 [math( \mathbf{F} = \frac{d}{dt} (m \mathbf{v}) )]이다. [math( \mathbf{F} = 0)]이면 [math( m \mathbf{v})]는 변화하지 않으므로 일정하다.

2.6. 에너지의 단위와 예시

2.7. 에너지 분석

[math(\Delta K + \Delta U + \Delta E_{int} = W + Q + T_{MW} + T_{MT} + T_{ET} + T_{ER})]

고전역학에서 쓰이는 비고립계에서의 에너지 분석 모형 풀버전. [math(\Delta K)]는 운동 에너지의 변화량, [math(\Delta U)]는 퍼텐셜 에너지의 변화량, [math(\Delta E_{int})]은 내부 에너지의 변화량이며, [math(W)]는 외부에서 계에 작용한 , [math(Q)]는 , [math(T_{MW})]는 역학적 파동, [math(T_{MT})]는 물질 이동, [math(T_{ET})]는 전기 송전, [math(T_{ER})]은 전자기 복사이다.

여기서 알 수 있듯이 실제로 에너지의 개념으로 쓰이는 것은 운동 에너지, 퍼텐셜 에너지, 내부 에너지 등, 물질 자체에 일을 할 수 있는 능력으로 지정된 값이며, 우변에 있는 것은 에너지의 전달과 발산으로 쓰이는 개념이다. 대표적인 것이 .

2.8. 문서가 있는 에너지들

3. 전력을 만들어내는 자원

파일:상세 내용 아이콘.svg   자세한 내용은 연료 문서
번 문단을
부분을
참고하십시오.

석유, 석탄, 원자력, 수력 전기와 동력을 만드는 자원을 에너지 자원이라 부른다. 현대 인류 문명에서 가장 중요한 것이 이런 의미의 에너지이며, 20세기 말~21세기의 전쟁은 사실상 모두 에너지를 차지하기 위한 전쟁이라 해도 틀리지 않는다. 21세기에는 화석에너지(석유, 석탄)가 매장량 및 환경문제 등 그 한계성이 점점 명백해짐에 따라, 이를 대체할 바이오 에너지(주로 곡물성 유기화학제품) 및 신재생에너지( 태양광 발전, 풍력 발전 등)가 향후 에너지 마켓을 좌우할 새로운 변수로 대두되고 있다.

3.1. 관련 문서

4. 신체능력

사람의 체력이나 기력, 지구력 등을 에너지로 지칭하기도 한다. 활발한 신체 활동을 장시간 지속해도 지치지 않는 사람을 "에너제틱하다(energetic, 에너지가 많다)"고 하거나, 특별한 신체 이상이 없음에도 기운이 없는 경우 "에너지가 낮다"고 하기도 한다.

에너지 드링크의 에너지도 이 의미다.

5. 창작물에 등장하는 미지의 힘, 물질, 파동

마나, 마력, , 포스, 사이오닉 등 초월적이고 신비한 물질 혹은 파동을 에너지라 부른다. 에너지가 의지를 가지고 에너지 생명체가 된다고도 묘사한다.

가끔 '순수한 에너지'란 개념도 서브컬처에서 나온다. 하지만 에너지는 어떠한 일/현상에서 관측될 수 있는 물리량의 개념이다. 현상으로부터 독립된 순수한 에너지 따위는 없다. "순수한 각도"나 "순수한 무게"라는 게 없는 것과 마찬가지.

가공의 에너지 문서에서 더 자세히 다룬다.

에너지들을 자유자재로 다루는 능력은 에너지 조작 문서로.

5.1. 관련 문서

6. 기타 "에너지"가 제목에 들어가는 문서



[1] 두 개를 더한 거니까, 제대로 공부하지 않고 언뜻 보면 중, 고등학교 과정에서 나오는 역학적 에너지와 같다고 생각할 수 있는데, 엄밀히 따지면 의미만 같을 뿐, 역학적 에너지가 맞아도 해밀토니안이 아닐 수 있다. 해밀토니안 역시 퍼텐셜 에너지와 운동 에너지의 합인 건 맞는데, 반드시 식 안의 변수가 운동량과 위치, 시간으로만 이뤄지도록 나타내야 한다.(속도를 쓰면 안 된다.) 즉, 예를 들어 일반물리 수준에서 가장 쉽게 볼 수 있는 [math(\displaystyle E = {1 \over 2} mv^2 + mgh)]는 식 안에 속도가 들어있으므로 그냥 역학적 에너지를 나타낸 것일 뿐 해밀토니안이 아니다. 이걸 [math(\displaystyle \mathcal{H} = {p_y^2 \over 2m} + mgy )]같이 써야 비로소 해밀토니안이 되는 것이다. 참고로 라그랑지안의 경우에는 반대로 식 안에 운동량이 들어있으면 안되고, 순수하게 속도, 위치, 시간 성분만 들어있어야 한다. [2] 천연가스나 에너지 업계 등에서는 MMBtu (MMBtu= Metric Million British Thermal Unit, 1백만 Btu) 라는 단위를 많이 쓰는데 1.05506 Giga Joule 이고 약 원유 5.1 배럴, 천연가스 43 리터 정도 분이다. [3] 중간 크기 토마토의 무게 정도. [4] 실제 가정용 전기주전자의 효율은 80% 가량 [5] 가정용 실내 등유 리터당 850원이면 MJ 당 대충 24원. [6] 가정용의 가격은 MJ 당 17원 정도. [7] 전력은 한국 가정용 평균이 kW 당 123원이니까 MJ 당으로는 34원 정도니 가스보다 2배 정도 비싸다. [8] 질량 0.7g에 해당하는 에너지이기도 하다.(E=mc^2)