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7. 에너지보존


입자로 모형화한 물체에 여러 힘이 작용할 때 입자의 운동에너지가 변화한다. 이러한 상황은 비고립계(Nonisolated system)모형의 예


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=(mg)Δr=(mgj)[(yfyi)j]=mgyimgyf


일-운동에너지 정리로부터 Won book=ΔKbook이고


ΔKbook=mgyimgyf=(mgyfmgyi)=ΔUg(ΔUg

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=KfKi,ΔU=UfUi이므로 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)dr (dr은 물체의 변위이다.)

마찰력을 제외한 힘들이 물체를 변형시키지 않는다고 가정하면 물체의 변위는 이 힘들의 작용점의 변위와 같다.


Wother forces+fkdr=(Fother forces)dr+fkdr (fk는 운동마찰력)

Fother forces+fk=F이므로 Wother forces+fkdr=(F)dr이다.

뉴턴의 운동 제 2법칙인 F=ma를 대입하면

Wother forces+fkdr=madr=mdvdtdr=tftimdvdtvdt이다. (dr=vdt)

이떄 ddt(vv)=dvdtv+vdvdt=2dvdtv이므로 dvdtv=12ddt(vv)=12dv2dt이고 따라서 Wother forces+fkdr=tftim(12dv2dt)dt=12mvfvidv2=12mv2f12mv2i=ΔK이다.

관성틀인 표면에서 볼 때 fkdr은 반대방향이다. 즉 fkdr=fkdr이므로 위의 식을 Wother forcesfkdr=ΔK로 나타낼 수 있다. 운동마찰력의 크기 fk는 일정하고 전체 경로가 dr=d이므로 Wother forcesfkd=ΔK또는 Kf=Kifkd+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=limΔt0ΔWΔt=dWdt를 순간일률(instantaneous power)이라 한다. 이때 dW를 미소일(infinitesimal work)라 하고 dW=Fdr이 성립한다. 그러면 순간일률은 P=dWdt=Fdrdt=Fv(v=drdt)

평균일률(average power)은 Pavg=WΔt이고 WΔt시간 동안 한 일이다.

일률의 SI단위는 초당 줄(J/s) 또는 와트(W)이고 1W=1J/s=1kgm2/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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Posted by skywalker222