에너지 측정
이미지 정보의 취득, 분석 및 활용 (6)
지난 호에서는 ‘시간이란 무엇인가?’라는 의문으로부터 출발하여 일상적으로 사용하는 시간의 기준 단위가 어떻게 정의되어 왔는지 살펴보았다. 시간 측정의 오차를 줄이기 위하여 1초에 대한 정의가 역사적으로 어떻게 바뀌어 왔으며 바뀌게 된 배경을 소개하였다.
이번 호에서는 에너지의 개념과 에너지의 기준 단위인 1 줄(J)의 정의에 관해서 소개하고 에너지(energy), 일(work), 힘(force), 동력(power) 사이의 관계를 살펴본다. ‘에너지 측정’ 및 에너지의 각종 단위 간의 환산방법 등을 정리하여 소개한다. 에너지 변환 방식 및 에너지 변환 효율 등에 관해서도 살펴본다.
■ 연재순서
제1회 측정의 목적(호기심, 정보 수집)
제2회 단위(비교의 기준)
제3회 길이 측정
제4회 무게 측정
제5회 시간 측정
제6회 에너지 측정
제7회 정적 측정과 동적 측정
제8회 측정 결과의 분석
제9회 분석 결과의 활용
제10회 제어(수동, 자동, 반자동, 학습형)
제11회 정보의 가시화
제12회 입체 이미지 정보의 유혹과 과제
■ 유우식
미국 웨이퍼마스터스(WaferMasters)의 사장 겸 CTO이다. 동국대학교 전자공학과, 일본 교토대학 대학원과 미국 브라운대학교를 거쳐 미국 내 다수의 반도체 재료 및 생산설비분야 기업에서 반도체를 포함한 전자재료, 공정, 물성, 소재분석, 이미지 해석 및 프로그램 개발과 관련한 연구를 진행하고 있다. 일본 오사카대학 대학원 공학연구과 공동연구원 , 경북대학교 인문학술원 객원연구원, 국민대학교 산림과학연구소 연구원, 문화유산 회복재단 학술위원이다.
이메일 | woosik.yoo@wafermasters.com
홈페이지 | www.wafermasters.com
그림 1. 국가별 1인당 연간 에너지 소비량
에너지란 무엇이며 어떻게 측정할까?
에너지란 무엇일까? 일상생활 속에서 분명히 자주 사용하는 단어이지만 순수한 우리말로 잘 표현할 수 있는 단어가 없다 보니, 영어 단어 energy의 발음을 그대로 적어 시용하는 것이 일반적이다. 정작 에너지의 개념을 누군가 묻기라도 한다면 한참 당황하다가 여러 가지 활용사례를 들어가면서 그 의미를 설명하려고 하지 않을까 싶다. ‘인간이 활동하는 근원이 되는 힘’ 또는 ‘기본적인 물리량의 하나로 물체나 물체계가 가지고 있는 일을 하는 능력을 통틀어 이르는 말’ 정도로 적당히 얼버무리지 않을까 싶다. 사실, 용어의 정의만큼 설명하기 어려운 것이 없다. 단어의 뜻이 불분명해서 사전을 찾아보면 사전의 설명을 이해하는 것이 더 어렵게 느껴지는 경우가 많다. 그것은 세계 각국의 언어 모두에 공통적으로 해당되는 현상이기도 하다.
요즈음에는 에너지 드링크(energy drink), 에너지 바(energy bAR)라는 이름으로 유통되는 음료수와 식품의 종류도 많다. 에너지 드링크는 말 그대로 에너지 보충용 음료수이다. 주로 체력 보충을 목적으로 마시는 음료로, 수분과 전해질 보충을 목적으로 마시는 스포츠 드링크류와 구별된다. 에너지 바는 열량을 많이 소모하여 열량 보충이 필요하거나 식사 시간이 모자랄 때 한 끼 식사 대용으로 먹을 수 있는 식품으로 칼로리 바(Calorie bAR)라고도 불린다. 주요 재료는 열량이 많은 초콜릿을 함유한 곡식류같은 것이 사용된다. 에너지 드링크나 에너지 바의 영양정보에는 반드시 내용량의 성분별 중량과 열량이 kcal로 표시되어 있다. 즉, 에너지는 열량으로 표시되며 단위는 칼로리 바라는 이름에서도 상상할 수 있듯이 cal 또는 kcal이다.
세계 각국의 1인당 연간 에너지 소비량의 통계치로 세계지도에 색상을 입힌 것을 <그림 1>에 표시하였다. 우리나라 주변 국가, 세계 주요 국가 및 세계에서 1인당 연간 에너지 소비량이 최저 수준인 아프리카 동쪽의 섬나라인 마다가스카르(MadagascAR)의 통계치를 kWh로 표시하였다. 에너지의 단위임에도 단위로 kWh가 사용되고 있다. 에너지의 표준 단위와 그 정의를 살펴보고 cal(또는kcal)와 kWh의 관계를 알아보자. 이 글을 쓰는 데에도 체력을 소모하니 에너지가 사용되는 것은 분명하다. 과연 몇 kcal나 필요할까? 정확하게 측정할 수 있을까?
다양한 형태의 에너지
에너지는 정의대로 ‘물체나 물체계가 가지고 있는 일을 하는 능력’을 의미하므로, 일을 할 수 있는 능력만 있다면 다양한 형태로 존재할 수 있다. 에너지 드링크, 에너지 바를 포함해서 석유, 전기 등 우리 주변의 모든 것이 에너지라고 볼 수 있다. 다만 그 유용성이 에너지의 형태에 따라 달라지므로 에너지의 양 못지 않게 중요한 것이 활용의 편리성이다. <그림 2>에 다양한 형태의 에너지원을 분류해 보았다. 분류 방법은 보는 관점에 따라서 더 세분화할 수도 있고 합쳐서 표시할 수도 있다. 에너지 드링크나 에너지 바는 화학 에너지에 해당된다.
다양한 에너지의 형태로 표시하고 있지만 모든 에너지의 형태는 한 가지로만 존재하는 것은 아니고, 여러 가지 성질의 형태로 공존하고 있지만 대표적인 성질로 구분하면 이러한 방법으로 구분이 가능하다는 것으로 이해해야 할 것이다. 예를 들어 열 에너지라고 표시한 그림을 보면 불꽃으로 함축적으로 표시되어 있지만 열은 복사, 대류, 전도의 세 가지 방법으로 에너지가 전달된다. 복사 에너지, 빛 에너지로도 구분이 가능하고 연료가 연소되면서 화학적 성질이 변화하고 있으므로 화학 에너지라고 볼 수도 있다. 물론 불꽃이 연소하면서 소리도 나기 때문에, 비중은 높지 않지만 소리 에너지의 성분도 가졌다고 할 수 있을 것이다.
그림 2. 다양한 형태의 에너지(분류 방법에 따라서 세분화될 수 있음)
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작성일 : 2023-06-05