[열역학 개념의 해설] 내부에너지

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제6장 '내부 에너지' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다.

6. 내부 에너지

피스톤 안에 열이 유입되면, 피스톤 안에 있는 물질을 어떻게 될까요? 피스톤을 바깥으로 밀기도 하고, 물질 고유의 에너지도 높아지겠지요! 여기서 물질 고유의 에너지를 내부 에너지라고 한답니다.

 

즉. 내부 에너지는 내부에 포함된 에너지를 뜻하는데요. 좀 더 자세히 말하면, 분자들의 운동에너지, 위치에너지, 자체 에너지를 통틀어 내부 에너지라고 한답니다. (거시적인 측면의 운동에너지, 위치에너지와 혼동하시면 안 돼요!)

 

그렇다면 언제, 누가 내부 에너지라는 개념을 처음 사용했을까요? 줄이라는 과학자가 기계적 에너지와 열의 상관관계를 정립하기 위해, 물체를 낙하시키면 회전하는 교반기를 설치하고, 물체가 낙하함에 따라 교반기 내부에 있는 물의 온도의 변화를 측정하는 실험을 하였는데요. 이때, 열 에너지가 물에 저장되는 형태를 내부 에너지라고 처음 정의하였답니다.

 

줄의 실험은 내부 에너지의 개념을 도입한 것 외에도 많은 열역학적 의의가 있는데요. 열과 에너지의 상관관계인 1 cal = 4.18J을 거의 정확하게 밝혀냈고요. 또한 한쪽에서 에너지가 손실되면 다른 곳에서 에너지를 얻는다는 것을 밝혀내면서, 에너지 보존 법칙인 열역학 1법칙의 효시가 되었어요.

 

그럼 내부 에너지의 절대적인 값은 얼마일까요? 내부 에너지는 직관적으로 만들어진 개념이기 때문에 절댓값보다는 변화하는 값이 중요해요. 즉, 열이 출입함에 따라 얼마만큼의 내부 에너지가 변했는지가 중요한 것이죠. 따라서 내부 에너지의 값은 기준을 임의로 설정한 후, 그것을 기준으로 상대적인 값을 사용한답니다 

 

그렇다면, 내부 에너지를 우리가 쉽게 측정할 수 있는 변수인 온도나 압력 등의 수식으로 나타내서 그 변화량을 계산할 수 있을까요? 네! 그렇게 할 수는 있는데요. 내부 에너지는 계산을 잘하지 않아요. 왜냐하면 좀 더 현실적인 에너지 물리량인 엔탈피라는 녀석이 있거든요. (엔탈피에 대해서는 다음에!)

 

정리하면, 내부 에너지는 글자 그대로 물질 내부에 포함되어 있는 에너지이고, 이 개념을 통해 열역학 1법칙이 만들어졌고(줄의 실험), 내부 에너지는 절대적인 값보다는 변화량이 중요한 개념이랍니다.

 

그럼 내부 에너지에 대한 포스팅을 마치겠습니다.