7. 에너지보존
입자로 모형화한 물체에 여러 힘이 작용할 때 입자의 운동에너지가 변화한다. 이러한 상황은 비고립계(Nonisolated system)모형의 예이다
다음은 계(system)의 내부 또는 외부로 에너지를 전달하는 몇 가지 방법들이다.
-일(work): 작용점에 변위를 동반하면서 계에 힘을 작용하여 계에 에너지를 전달하는 방법.
-역학적인 파동(mechanical waves): 요동(disturbance)을 공기나 다른 매질을 통해 전파하여 에너지를 전파하는 방법(음파, 지진파 등).
-열(heat): 온도 차이가 있는 두 개의 서로 다른 공간영역을 접촉시켜 에너지를 전달하는 방법.
-물질전달(matter transfer): 물질을 물리적으로 계의 경계를 넘게 하여 물체와 함께 직접적으로 에너지를 전달하는 방법(대류현상 등).
-전기송전(electrical transmission): 전류를 매개로 하여 에너지를 전달하는 방법.
-전자기복사(electromagnetic radiation): 빛, 마이크로파, 라디오파와 같은 전자기파를 매개로 하여 에너지를 전달하는 방법.
에너지는 생성되지도 안혹 소멸되지도 않아 항상 보존되고 계의 전체 에너지가 변하면, 그 이유는 오직 위에서 나열한 에너지 전달방법 중 하나와 같은 에너지 전달방식으로 에너지가 계의 경계를 넘기 때문이다.
에너지 보존 방정식(conservation of energy equation)은 ΔEsystem=∑T로 나타내어지고 여기서 Esystem은 계의 전체에너지 또는 계에 저장가능한 모든 에너지(운동에너지, 위치에너지, 내부에너지), T는 어떤 전달과정을 거쳐 계의 경계를 넘어 전달되는 에너지의 양이다.
Twork=W(한 일의 양), Theat=Q(열에너지), Eint(내부에너지), TMW(역학적 파동), TMT(물질수송), TET(전기수송), TER(전자기 복사)라 하면 비고립계 모형(nonisolated system model)은 ΔK+ΔU+ΔEint=W+Q+TMW+TMT+TET+TER이다. 주어진 계에 대하여 에너지 보존 방정식의 우변의 모든 항들이 0인 경우, 그 계는 고립계이다. 고립계는 계의 경계를 넘는 어떠한 방식의 에너지 전달이 없다.
다음은 중력이 작용하는 상황을 나타낸 것이다.
(중력이 책에 한 일): Won book=(m→g)⋅Δ→r=(−mg→j)⋅[(yf−yi)→j]=mgyi−mgyf
일-운동에너지 정리로부터 Won book=ΔKbook이고
ΔKbook=mgyi−mgyf=−(mgyf−mgyi)=−ΔUg(ΔUg는
중력위치에너지의 변화)
이 사실로부터 ΔKbook+ΔUg=0이다.
한 고립계에 대하여 ΔK+ΔU=0, 즉 계의 역학적에너지는 운동에너지와 위치에너지의 합이며 그 값은 항상 일정하다. 이를 식으로 나타내면 Emech=K+U이다. 계에 비보존력이 없으면 고립계에 대한 역학적에너지 보존(Conservation of mechanical energy)은 ΔEmech=ΔK+ΔU=0이다. 만약 계의 내부에서 작용하는 비보존력이 있으면 이 힘에 의한 역학적에너지는 내부에너지로 변환된다. 고립계 내부에서 작용하는 비보존력이 있으면 역학적에너지가 보존되지 않으나 계의 전체에너지는 보존된다(ΔEsystem=0)
ΔK=Kf−Ki,ΔU=Uf−Ui이므로 Kf+Uf=Ki+Ui이다.
마찰력이 존재할 때 뉴턴의 제 2법칙을 사용하고 운동마찰력이 하는 일을 도입하면 일-운동에너지 정리를 적용할 수 있다.
미시적 마찰력 외의 다른 힘들이 한 일은 ∑Wother forces=∫(∑→Fother forces)⋅d→r (d→r은 물체의 변위이다.)
마찰력을 제외한 힘들이 물체를 변형시키지 않는다고 가정하면 물체의 변위는 이 힘들의 작용점의 변위와 같다.
∑Wother forces+∫→fk⋅d→r=∫(∑→Fother forces)⋅d→r+∫→fk⋅d→r (fk는 운동마찰력)
∑→Fother forces+→fk=∑→F이므로 ∑Wother forces+∫→fk⋅d→r=∫(∑→F)⋅d→r이다.
뉴턴의 운동 제 2법칙인 ∑→F=m→a를 대입하면
∑Wother forces+∫→fk⋅d→r=∫m→a⋅d→r=∫md→vdt⋅d→r=∫tftimd→vdt⋅→vdt이다. (d→r=→vdt)
이떄 ddt(→v⋅→v)=d→vdt⋅→v+→v⋅d→vdt=2d→vdt⋅→v이므로 d→vdt⋅→v=12ddt(→v⋅→v)=12dv2dt이고 따라서 ∑Wother forces+∫→fk⋅d→r=∫tftim(12dv2dt)dt=12m∫vfvidv2=12mv2f−12mv2i=ΔK이다.
관성틀인 표면에서 볼 때 →fk와 d→r은 반대방향이다. 즉 →fk⋅d→r=−fkdr이므로 위의 식을 ∑Wother forces−∫fkdr=ΔK로 나타낼 수 있다. 운동마찰력의 크기 fk는 일정하고 전체 경로가 ∫dr=d이므로 ∑Wother forces−fkd=ΔK또는 Kf=Ki−fkd+∑Wother force이다. 이는 물체에 마찰력이 작용할 때 사용할 수 있는 확장된 일-운동에너지 정리이다.
마찰력만의 영향으로 감속하는 책과 표면으로 구성된 더 큰 계에서 ΔEsystem=ΔK+ΔEint=0이고 이는 책-표면으로 구성된 계에서 계의 운동에너지의 변화량은 책만의 운동에너지의 변화량과 같다. 이때 ΔK=−fkd이므로 −fkd+ΔEint=0이고 따라서 ΔEint=fkd이다. 이는 계의 내부에너지의 증가량이 마찰력과 책이 이동한 경로의 길이의 곱과 같음을 나타낸다. 이 사실로부터 마찰력은 계의 내부에 있는 운동에너지를 내부에너지로 변환시킨다. 이때 계의 내부에너지의 증가량은 운동에너지의 감소량과 같다.
고립계 안에서 비보존력인 마찰력이 작용할 때 ΔEmech=ΔK+ΔU=−fkd (ΔU: 모든 형태의 위치에너지의 변화량)
비고립계 안에서 다른 비보존력이 작용할 때 ΔEmech=−fkd+∑Wother forces (∑Wother forces: 마찰력 외의 비보존력이 한 일)
일률
에너지 전달의 시간에 대한 비율 P=limΔt→0ΔWΔt=dWdt를 순간일률(instantaneous power)이라 한다. 이때 dW를 미소일(infinitesimal work)라 하고 dW=→F⋅d→r이 성립한다. 그러면 순간일률은 P=dWdt=→F⋅d→rdt=→F⋅→v(→v=d→rdt)
평균일률(average power)은 Pavg=WΔt이고 W는 Δt시간 동안 한 일이다.
일률의 SI단위는 초당 줄(J/s) 또는 와트(W)이고 1W=1J/s=1kg⋅m2/s3이다.
1킬로와트-시(kWh)는 1kW=1000J/s인 일정한 일률로 한 시간 동안 전달된 에너지양으로 1kWh=(103W)(3600s)=3.60×106J이다.(일률의 단위가 아닌 에너지단위이다.)
참고자료
대학물리학, 대학물리학교재편찬위원회, 북스힐
Physics for scientists and engineering with modern physics, Serway, Jewett, Cengage Learning
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