에너지의 종류
에너지에는 여러 형태가 있으며 각 형태의 에너지는 다른 형태로 바뀔 수 있으나 전체 에너지양은 항상 일정하다(에너지 보존의 법칙). 또한 에너지를 얻는 방법으로도 분류할 수도 있다. 에너지를 형태로 분류하면 역학적 에너지(물체의 위치 에너지와 운동 에너지), 내부 에너지, 열에너지, 전기에너지, 빛에너지, 화학에너지, 핵에너지, 기계적 에너지 등이 있다. 얻는 방법으로의 분류는 바로 얻을 수 있는 1차 에너지와 1차 에너지를 변형시킨 2차 에너지(전기에너지 등)로 나누어진다.
역학적 에너지는 물체가 있는 위치 및 운동 상태와 관련되는 에너지이며 위치에너지와 운동에너지가 속한다. 물체가 높은 곳에 있으면 지상의 물체에 비하여 그 높이에 해당하는 위치에너지를 가지게 된다. 위치에너지는 물체의 질량(m)과 중력가속도(g), 그리고 높이의 차(h1-h2)를 곱한 값이다. 즉, 위치에너지 Ep = mg(h1-h2)로 표시된다. 이 물체가 땅으로 떨어지는 경우에 점점 위치에너지가 감소하면서 속도가 증가하므로 운동에너지는 커지게 된다. 땅에 부딪히면 운동에너지에 의하여 물체가 깨어지는 경우를 흔히 볼 수 있다. 이것을 이용한 것이 수력발전이며 높은 곳에 있는 물이 내려오면서 위치에너지에서 변환된 운동에너지가 터빈을 회전시켜 전기를 생산한다. 운동에너지는 물체의 질량과 속도의 곱이다. 즉, Ek = 1/2(mv2)로 표시된다.
내부에너지는 임의의 계에 있는 분자들의 병진, 회전, 진동에너지를 말한다. 병진운동에너지(translational energy)는 분자의 질량중심이 이동할 때의 에너지이며, 회전운동에너지(rotational energy)는 분자의 질량중심을 지나는 하나 또는 하나 이상의 축 주위로 회전할 때의 에너지이고 마지막으로 진동운동에너지(vibrational energy)는 분자를 이루는 원자들이 평형위치에서 진동할 때의 에너지이다. 병진운동은 3개의 자유도(가로, 세로, 높이)로, 회전운동은 2개(직선분자) 또는 3개(비직선분자)의 자유도로, 그리고 진동운동은 3N-5(직선분자), 3N-6(비직선분자)개의 자유도로 정의된다. 여기서 N은 분자를 이루고 있는 원자의 개수이다. 예를 들면 물(H2O)분자는 직선이 아니므로 병진운동, 회전운동 및 진동운동의 자유도는 각각 3, 3, 3×3 - 6 = 3이며 직선분자인 이산화탄소(CO2)의 자유도는 각각 3, 2, 3×3 - 5 = 4이다.
일반적으로 외부에서 계로 일이 주어지고 열이 가해지면 계의 내부에너지가 증가한다. 즉, 내부에너지 변화 ΔU는 일 w와 열 q의 합이다,
ΔU = w + q. 밀폐된 계에 열을 가하면 분자의 내부에너지가 증가하고 따라서 분자들 간의 충돌속도와 분자들과 벽과의 충돌속도가 커지므로 계의 온도가 올라간다. 이 경우에 주어진 열에너지가 내부에너지로 다시 열에너지로 변환된다. 일, w와 열, q는 변화하는 경로에 따라 양의 변화하는 경로함수이며 내부에너지 U, 엔탈피, H, 엔트로피, S, 헬름홀츠(Helmholz)자유에너지, A 및, 깁스(Gibbs)자유에너지, G는 경로에 관계없이 초기상태와 최종상태에만 의존하는 함수인 상태함수이다.
열에너지는 내부에너지와 일로 정의되며 열을 일로 변환시키려면 두 개의 기관 사이에 온도차가 있어야하고 열은 뜨거운 기관에서 찬 기관으로 흘러간다. 열의 이런 성질이 열역학 제 2법칙으로 확립되었다. 자동차의 내연기관에서 휘발유가 연소하여 기관이 팽창하면 열이 일로 변환될 수 있다.
기계적 에너지는 기체의 압축 ․ 팽창에 의한 일과 축의 회전에 의한 일 등으로 나누어진다. 자동차 피스톤은 기체의 압축 ․ 팽창에 의하여 일을 하며 증기터빈 또는 물레방아에서는 축이 회전하여 일을 한다. 열기관은 열에너지를 일로 변환시키는 장치이며 예를 들면 자동차, 증기기관차, 가스터빈, 및 증기터빈 등이 있다.
빛은 전기를 가지고 있는 물체가 가속도 운동을 할 때 만들어지며 전자파의 일종이므로 서로 수직인 전기장과 자기장을 가지고 있다. 빛의 정지질량은 0으로 생각되지만 중력이 큰 항성 주위를 지나갈 때에는 중력의 영향으로 항성 쪽으로 휘게 되며(항성 주위의 공간이 휘어있다고 생각되기도 함) 블랙홀에서는 빛도 흡수되어 나오지 못한다. 양자역학에 의하면 빛은 에너지를 가진 광량자(photon)가 파동의 형태로 공간을 이동하는 것으로 설명된다. 빛에너지 E는 진동수ν에 비례한다. 즉, E = hν로 표시된다.
진동수는 파장의 역수이므로 빛의 파장이 짧을수록 에너지가 크다. 핵분열이나 핵융합이 일어날 때 생기는 에너지는 파장이 아주 짧은 γ선으로 방출된다. 고속으로 운동하는 전자를 금속박에 충돌시킬 때 방출되며 파장이 짧은 x선은 x선 촬영과 비파괴검사 등에 이용되며 자외선은 피부를 태우는데 이용되고 있지만 과도하게 쪼이면 피부에 해롭다고 한다. 파장이 200nm(1nm = 1x10-9m)보다 더 짧은 자외선은 생명체에 해롭지만 오존층에 의해 차단되어 지표에는 도달하지 않는다. 가시광선은 우리가 볼 수 있으며 파장에 따라 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남, 보라로 나누어진다. 적외선은 분자의 진동 및 회전운동과 관계가 있으며 보통 열선으로 알려져 있다. 파장이 긴 마이크로파는 전자레인지에서 음식을 데우는 작용을 한다. 또한 빛은 물의 분해, 폐기물 처리, 유독물질 분해 등에도 많이 이용되고 있다.
화학에너지는 물질을 구성하고 있는 원자 간의 결합에너지 및 위치에너지이다. 분자를 이루고 있는 원자들 사이의 결합이 끊어질 때 나오는 에너지가 결합에너지이며 화학반응이 일어날 때 반응물질들과 생성물질들의 위치에너지의 변화로 반응 경로를 나타낸다. 화학에너지가 높은 화석연료가 연소되면 물과 이산화탄소 등의 화학에너지가 낮은 물질이 생성되며 화학에너지의 차이가 열로 방출된다. 자동차, 비행기, 배 등은 화학에너지를 우리 생활에 보다 유익한 에너지로 변환시키는 장치들의 예이다. 생물 또한 포도당 등을 연소하여 나오는 에너지를 이용한다.
원자의 핵을 구성하고 있는 양성자, 중성자, 중간자 등의 입자들 사이의 결합에너지가 핵에너지이다. 핵에너지는 핵분열이나 핵융합이 일어날 때 열에너지로 변환된다. 원자핵에 따른 핵의 결합은 수소 핵에서 증가하기 시작하여 철의 경우에 가장 강하며 그 후로는 차차 약해진다. 따라서 가벼운 원자핵들은 자발적으로 융합하여 에너지를 방출하며 무거운 핵들은 분열하여 에너지를 방출한다. 예를 들면 수소원자핵이 융합하여 헬륨이 생성되는 과정이 항성에서 에너지를 만드는 핵융합반응이며 우라늄, 플라토늄이 깨어지며 에너지가 나오는 반응을 이용한 것이 원자폭탄과 원자력발전이다. 이들 과정이 진행되면 질량이 감소하며 감소한 질량이 에너지로 변환된다(E = mc2). c는 빛의 속도 3×108m/sec이다.