[물리실험] 에너지의 모습(열-역학적 에너지의 보존)
1.목적
계의 에너지는 역학적 방법 이외에 열(heat)의 전달에 의해서도 변화될 수 있다. 즉, 열은 에너지를 전달하는 한 수단이다. 외부와의 열의 전달이 가능한 계에서 열에 의한 계의 (내부)에너지(internal energy)의 변화와 역학적 방법 즉, 일에 의한 (내부)에너지의 변화는 방법은 다르지만 같은 결과를 준다. 이는 댐의 물이 입구를 통해 흘러들어 오거나 출구를 통해 흘러 나가는 방법으로 변화되지만, 직접 빗물에 의해서 또는 증발에 의해서도 변화되는 것과 같은 이치이다. 일단, 댐으로 들어온 물은 어떤 방법으로 유입되었는지 구별되지 않는다.
열과 일은 같은 물리량(에너지)을 나타내면서도 전통적으로 서로 다른 단위를 사용하여 왔기 때문에, 이를 정량적으로 비교하기 위해서 바꿈 인수(conversion factor)가 필요하다. 이를 열의 일 해당량(mechanical equivalent of heat)이라고 부르며 제임스 줄(James P. Joule)에 의해 처음으로 측정된 바와 같이, 1 칼로리(calorie)의 열이 약 4.2 줄(joule) [더 정확하게는 4.1860 J] 의 일과 같다.
열과 일에 의해서 계의 내부에너지가 변화될 수 있는 경우에는 계의 역학적 에너지는 보존되지 않을 수도 있다. 즉, 계의 역학적 에너지가 열의 형태로 바뀌어 방출될 수 있으며, 열의 유입이 계로 하여금 일을 하게 할 수도 있다. 또, 내부적으로도 열과 역학적 에너지의 교환이 일어날 수가 있다. 그러나 이러한 경우에도 외부로부터 고립되어 있는 계의 열과 역학적 에너지의 총량은 변화되지 않는다. 이를 열과 역학적 에너지의 보존(총 에너지의 보존)이라고 부르며, 역학적 에너지 보존 법칙은 열과 역학적 에너지의 보존에서 열에 의한 에너지의 변화가 없는 특별한 경우에 성립하는 것이라고 할 수 있다.
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2014.04.18
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