Energy

Original article: w:Energy

This article is about the scalar physical quantity. For an overview of and topical guide to energy, see Outline of energy. For other uses, see Energy (disambiguation).

"Energetic" redirects here. For other uses, see Energetic (disambiguation).

Energy
A plasma lamp, using electrical energy to create plasma, light, heat, movement and a faint sound
Common symbols	E
SI unit	joule
Other units	kW⋅h, BTU, calorie, eV, erg, foot-pound
In SI base units	J = kg⋅m2⋅s−2
Extensive?	yes
Conserved?	yes
Dimension	M L2 T−2

물리학(physics)에서, 에너지(energy, from grc ἐνέργεια (enérgeia), meaning '활동')는 몸체 또는 물리적 시스템으로 전달되는 정량적 속성으로, 일의 수행과 열과 빛의 형태로 인식할 수 있습니다. 에너지는 보존된 양(conserved quantity)입니다—에너지의 보존(conservation of energy) 법칙에 따르면 에너지는 형태로 변환될 수 있지만, 생성되거나 파괴될 수는 없습니다. 국제 단위의 시스템 (SI)의 에너지에 대해 측정(measurement)의 단위는 줄(joule, J)입니다.

공통적인 형태의 에너지에는 움직이는 물체의 운동 에너지(kinetic energy), (예를 들어, 필드(field)에서의 위치로 인한) 물체에 저장된 퍼텐셜 에너지(potential energy), 고체 물체에 저장된 탄성 에너지(elastic energy), 화학 반응(chemical reactions)과 결합된 화학 에너지(chemical energy), 전자기 복사(electromagnetic radiation)에 의해 운반되는 복사 에너지(radiant energy)와 열역학 시스템(thermodynamic system) 내에 포함된 내부 에너지(internal energy) 등이 포함됩니다. 모든 살아있는 유기체(organisms)는 끊임없이 에너지를 흡수하고 방출합니다.

질량-에너지 등가(mass–energy equivalence)로 인해, 정지 상태에서 질량 (정지 질량(rest mass)이라고 불림)을 가지는 임의의 물체는 정지 에너지(rest energy)라고 불리는 형태의 에너지와 동등한 총양의 에너지를 가지고, 해당 정지 에너지 위에 있는 물체에 의해 획득된 (임의의 형태의) 추가 에너지는 총 에너지가 증가하는 것처럼 물체의 총 질량도 증가합니다.

인류 문명이 기능하기 위해서는 에너지가 필요하며, 이는 화석 연료(fossil fuels), 핵 연료(nuclear fuel), 또는 재생-가능 에너지(renewable energy)와 같은 에너지 자원에서 얻습니다. 지구의 기후(climate)와 생태계(ecosystems) 과정은 지구가 태양으로부터 받는 에너지에 의해 주도됩니다 (소량의 지열 에너지(geothermal energy)도 기여하지만).

Forms

In a typical lightning strike, 500 megajoules of electric potential energy is converted into the same amount of energy in other forms, mostly light energy, sound energy and thermal energy.

Thermal energy is energy of microscopic constituents of matter, which may include both kinetic and potential energy.

시스템(system)의 총 에너지는 퍼텐셜 에너지, 운동 에너지, 또는 다양한 방식으로 이들 둘의 조합으로 세분화되고 분류될 수 있습니다. 운동 에너지(Kinetic energy)는 물체의 움직임 – 또는 물체 구성 요소의 복합 운동 – 에 의해 결정되고 퍼텐셜 에너지(potential energy)는 물체가 운동할 수 있는 가능성을 반영하고, 일반적으로 필드(field) 안의 물체 위치의 함수이거나 필드 자체에 저장될 수 있습니다.

이들 두 카테고리는 모든 형태의 에너지를 설명하기 위해 충분하지만, 퍼텐셜 에너지와 운동 에너지의 특정 조합을 그 자체의 형태로 참조하는 것이 종종 편리합니다. 예를 들어, 시스템 안의 평행이동적 및 회전적 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지의 합은 기계적 에너지(mechanical energy)라고 참조되고, 반면에 핵 에너지는 다른 예 중에서 핵력(nuclear force) 또는 약력(weak force)으로부터 원자핵 안의 조합된 퍼텐셜을 나타냅니다.

Some forms of energy (that an object or system can have as a measurable property)

Type of energy	Description
Mechanical	the sum of macroscopic translational and rotational kinetic and potential energies
Electric	potential energy due to or stored in electric fields
Magnetic	potential energy due to or stored in magnetic fields
Gravitational	potential energy due to or stored in gravitational fields
Chemical	potential energy due to chemical bonds
Ionization	potential energy that binds an electron to its atom or molecule
Nuclear	potential energy that binds nucleons to form the atomic nucleus (and nuclear reactions)
Chromodynamic	potential energy that binds quarks to form hadrons
Elastic	potential energy due to the deformation of a material (or its container) exhibiting a restorative force as it returns to its original shape
Mechanical wave	kinetic and potential energy in an elastic material due to a propagating oscillation of matter
Sound wave	kinetic and potential energy in a material due to a sound propagated wave (a particular type of mechanical wave)
Radiant	potential energy stored in the fields of waves propagated by electromagnetic radiation, including light
Rest	potential energy due to an object's rest mass
Thermal	kinetic energy of the microscopic motion of particles, a kind of disordered equivalent of mechanical energy

History

Main articles: History of energy and timeline of thermodynamics, statistical mechanics, and random processes

Thomas Young, the first person to use the term "energy" in the modern sense

단어 energy는 Ancient Greek: ἐνέργεια, romanized: energeia, lit. '활동, 작동'에서 파생되었으며, 이는 아마도 기원전 4세기 아리스토텔레스(Aristotle)의 연구에서 처음으로 등장했을 것입니다. 현대의 정의와 달리, energeia는 행복과 즐거움과 같은 아이디어를 포함할 만큼 충분히 광범위한 질적 철학적 개념이었습니다.

17세기 후반에 고트프리트 라이프니츠(Gottfried Leibniz)는 Latin: vis viva, 또는 살아있는 힘의 아이디어를 제안했으며, 이는 대상의 질량과 속도의 제곱의 곱으로 정의됩니다; 그는 전체 vis viva가 보존된다고 믿었습니다. 마찰로 인한 속도 저하를 설명하기 위해, 라이프니츠는 열 에너지가 물질을 구성하는 부분의 운동으로 구성된다는 이론을 세웠지만, 이것이 일반적으로 받아들여지기까지는 100년 이상이 걸렸습니다. 이 속성의 현대적 아날로그, 운동 에너지는 vis viva와 단지 둘(two)의 인수만 다릅니다. 18세기 초에 글을 쓴, 에밀리 뒤 샤틀레(Émilie du Châtelet)는 뉴턴의 Principia Mathematica의 프랑스어 번역판에서 에너지의 보존(conservation of energy) 개념을 제안했으며, 이는 운동량(momentum)과 구별되는 보존된 측정-가능 양의 첫 번째 공식을 나타냈고, 나중에 "에너지"라고 불리게 됩니다.

1807년에, 토머스 영(Thomas Young)은 현대적인 의미에서 vis viva 대신 "에너지"라는 용어를 처음으로 사용한 사람일 것입니다. 가스파르-귀스타브 코리올리(Gaspard-Gustave Coriolis)는 1829년에 "운동 에너지"를 현대적인 의미로 기술했으며, 1853년에는 윌리엄 랭킨(William Rankine)이 "잠재 에너지(potential energy)"라는 용어를 만들었습니다. 에너지 보존(conservation of energy)의 법칙은 역시 19세기 초에 처음으로 공준되었고, 임의의 고립된 시스템(isolated system)에 적용됩니다. 열이 칼로리라고 불리는 물리적 물질인지, 아니면 단지 운동량(momentum)과 같은 물리적 양인지에 대해 몇 년 동안 논쟁이 있었습니다. 1845년 제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule)은 기계적 작업과 열의 발생 사이의 연관성을 발견했습니다.

이들 발전은 윌리엄 톰슨 (켈빈 경)에 의해 주로 열역학(thermodynamics)의 분야로 형식화된 에너지의 보존의 이론으로 이어졌습니다. 열역학은 루돌프 클라우지우스(Rudolf Clausius), 조사이어 윌러드 깁스(Josiah Willard Gibbs), 및 발터 네른스트(Walther Nernst)에 의한 화학 과정의 설명의 급속한 발전을 도왔습니다. 그것은 역시 클라우지우스에 의해 엔트로피의 개념의 수학적 형식화로 이어졌고 요제프 슈테판(Jožef Stefan)에 의해 복사 에너지(radiant energy)의 법칙의 도입으로 이어졌습니다. 뇌터의 정리(Noether's theorem)에 따르면, 에너지의 보존은 물리의 법칙이 시간이 지나도 변하지 않는다는 사실의 결과입니다. 따라서, 1918년 이래, 이론가들은 에너지의 보존(conservation of energy)의 법칙이 에너지에 켤레(conjugate)인 양, 즉 시간의 평행이동적 대칭(translational symmetry)의 직접적인 수학적 결과라는 것을 이해해 왔습니다.

Units of measure

Joule's apparatus for measuring the mechanical equivalent of heat. A descending weight attached to a string causes a paddle immersed in water to rotate.

Main article: Units of energy

1843년에, 제임스 프레스콧 줄은 일련의 실험을 통해 독립적으로 기계적 동등물을 발견했습니다. 그 중 가장 유명한 것은 "줄(Joule) 기구"를 사용했습니다: 끈에 부착된 하강하는 추는 열 전달로부터 실질적으로 절연된 물에 담근 노의 회전을 일으켰습니다. 하강하는 추에 의해 손실된 중력 퍼텐셜 에너지(potential energy)는 노와의 마찰(friction)을 통해 물에 의해 얻어진 내부 에너지(internal energy)와 같다는 것을 보여주었습니다.

국제 단위의 시스템(International System of Units, SI)에서, 에너지의 단위는 줄의 이름을 따서 지은 줄입니다. 그것은 유도 단위(derived unit)입니다. 그것은 1미터 거리에 1뉴턴의 힘을 가할 때 소비된 에너지 (또는 수행한 일)와 같습니다. 어쨌든, 에너지는 에르그, 칼로리, 영국식 열 단위, 킬로와트시(kilowatt-hours), 및 킬로칼로리(kilocalories)와 같은 SI의 일부가 아닌 많은 다른 단위로도 표시되며, SI 단위로 표시될 때 변환 인수가 필요합니다.

에너지 율 (단위 시간당 에너지)의 SI 단위는 와트(watt)이며, 초당 줄(Joule)입니다. 따라서, 1줄은 1와트-초이고, 3600줄은 1와트-시간과 같습니다. CGS 에너지 단위는 에르그(erg)이고 제국식 및 미국식 관습(imperial and US customary) 단위는 푸트 파운드(foot pound)입니다. 전자볼트(electronvolt), 음식 칼로리(food calorie) 또는 열역학적 kcal (가열 과정에서 물의 온도 변화 기준), 및 BTU와 같은 기타 에너지 단위는 특정 과학 및 상업 분야에서 사용됩니다.

Scientific use

Classical mechanics

Main articles: Mechanics, Mechanical work, and Thermodynamics

고전 역학에서, 에너지는 보존된 양(conserved quantity)이기 때문에 개념적으로나 수학적으로 유용한 속성입니다. 역학의 여러 공식은 에너지를 핵심 개념으로 사용하여 개발되어 왔습니다.

에너지의 함수인 일(Work)은 힘 곱하기 거리입니다:

$W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}$

이것은 일 ($W$)이 경로 C를 따라 힘(force) F의 선적분(line integral)과 같다는 것을 의미합니다; 자세한 내용에 대해 기계적 일(mechanical work) 기사를 참조하십시오. 일과 에너지는 프레임 종속적(frame dependent)입니다. 예를 들어, 방망이에 공이 맞았다고 생각해 보십시오. 질량-의-중심 참조 프레임에서, 방망이는 공에 일을 하지 않습니다. 그러나, 방망이를 휘두르는 사람의 참조 프레임에서, 상당한 일이 공에 수행됩니다.

시스템의 총 에너지는 때때로 윌리엄 로언 해밀턴(William Rowan Hamilton)의 이름을 따서 해밀턴(Hamiltonian)이라고 불립니다. 고전적인 운동 방정식은 심지어 매우 복잡하거나 추상적인 시스템의 경우에도 해밀턴의 관점에서 쓸 수 있습니다. 이들 고전 방정식은 비-상대론적 양자 역학에서 놀랄 만큼 직접적인 유사점을 가지고 있습니다.

또 다른 에너지-관련된 개념은 조제프-루이 라그랑주(Joseph-Louis Lagrange의 이름을 따서 라그랑주(Lagrangian)라고 불립니다. 이 형식주의는 해밀턴만큼 토대적이고, 둘 다 운동 방정식을 유도하기 위해 사용되거나 운동 방정식에서 유도될 수 있습니다. 그것은 고전 역학(classical mechanics)의 맥락에서 발명되었지만, 일반적으로 현대 물리학에서 유용합니다. 라그랑주는 운동 에너지에서 퍼텐셜 에너지를 뺀 값으로 정의됩니다. 보통, 라그랑주 형식주의는 비-보존적 시스템 (예를 들어, 마찰을 갖는 시스템)에 대해 해밀턴 형식주의보다 수학적으로 더 편리합니다.

뇌터의 정리(Noether's theorem) (1918는 물리적 시스템의 동작에 대한 임의의 미분-가능 대칭성이 대응하는 보존 법칙을 가진다고 명시합니다. 뇌터의 정리는 현대 이론적 물리학과 변화의 계산법(calculus of variations)의 토대 도구가 되었습니다. 라그랑주 역학과 해밀턴 역학 (각각 1788년과 1833년)의 운동 상수에 대한 독창적인 공식을 일반화한 것으로, 라그랑주로 모델링될 수 없는 시스템에는 적용되지 않습니다; 예를 들어, 연속적인 대칭성을 갖는 소산 시스템은 대응하는 보존 법칙을 가질 필요가 없습니다.

Chemistry

화학(chemistry)의 맥락에서, 에너지(energy)는 원자, 분자, 또는 집합체 구조의 결과로 나타나는 물질의 속성입니다. 화학적 변환은 이들 종류의 구조 중 하나 이상의 변화를 수반하므로, 그것은 보통 관련된 물질의 총 에너지 감소, 때로는 증가를 동반합니다. 일부 에너지는 열이나 빛의 형태로 주변과 반응물 사이에 전달될 수 있습니다; 따라서 반응 생성물은 때때로 반응물보다 더 많은 에너지를 가지지만 보통 더 적은 에너지를 가집니다. 최종 상태가 에너지 규모에서 초기 상태보다 낮으면 반응은 발열(exothermic) 또는 방출(exergonic)이라고 말합니다; 덜 공통적인 흡열(endothermic) 반응의 경우에서, 그 상황이 반대입니다. 화학 반응(Chemical reactions)은 반응물이 활성화 에너지(activation energy)로 알려진 에너지 장벽을 극복하지 않은 한 보통 불가능합니다. (주어진 온도 T에서) 화학 반응의 속력(speed)은 볼츠만 모집단 인수 e^−E/kT에 의한 활성화 에너지 E와 관련됩니다; 즉, 주어진 온도 T에서 분자가 E보다 크거나 같은 에너지를 가질 확률입니다. 온도에 대한 반응률의 이러한 지수 의존성은 아레니우스 방정식(Arrhenius equation)으로 알려져 있습니다. 화학 반응에 필요한 활성화 에너지는 열에너지의 형태로 제공될 수 있습니다.

Biology

Main articles: Bioenergetics and Food energy

Basic overview of energy and human life

생물학(biology)에서, 에너지는 생물권에서 가장 작은 생명체에 이르기까지 모든 생물학적 시스템의 속성입니다. 유기체 내에서 그것은 생물학적 세포(cell) 또는 생물학적 유기체(organelle)의 소기관의 성장과 발달을 담당합니다. 호흡(respiration)에 사용되는 에너지는 세포에 의해 저장된 탄수화물(carbohydrates, 당 포함), 지질(lipids), 및 단백질(proteins)과 같은 물질에 저장됩니다. 인간의 용어로, 인간 등가물(human equivalent, H-e) (인간 에너지 변환)은 하루 평균 인간 에너지 소비 12,500 kJ와 80와트의 기초 대사량(basal metabolic rate)을 표준으로 사용하여, 주어진 에너지 소비량에 대해, 인간 신진대사(metabolism)에 필요한 에너지의 상대적인 양을 나타냅니다. 예를 들어, 우리 몸이 (평균적으로) 80와트로 작동한다면, 100와트로 작동하는 전구는 1.25 인간 등가물 (100 ÷ 80), 즉, 1.25 H-e로 작동하는 것입니다. 단 몇 초 동안 진행되는 어려운 임무에 대해, 사람은 공식 1마력의 746와트보다 몇 배나 많은 수천 와트를 출력할 수 있습니다. 몇 분 동안 지속되는 임무에 대해, 건강한 사람은 아마도 1,000와트를 생성할 수 있습니다. 한 시간 동안 지속되어야 하는 활동에 대해, 출력은 약 300으로 떨어집니다; 하루 종일 계속되는 활동에 대해, 150와트가 대략 최대치입니다. 인간 등가물은 인간의 용어로 에너지 단위를 표현함으로써 물리적 및 생물학적 시스템의 에너지 흐름에 대한 이해를 돕습니다. 이는 주어진 양의 에너지 사용에 대한 "느낌"을 제공합니다.

햇빛의 복사 에너지는 역시 이산화탄소와 물 (두 가지 낮은-에너지 화합물)이 탄수화물, 지질, 단백질, 및 산소로 전환될 때 광합성(photosynthesis)에서 화학적 퍼텐셜 에너지(chemical potential energy)로 식물에 포획됩니다. 광합성 동안 열이나 빛으로 저장된 에너지의 방출은 산불에서 불꽃에 의해 갑자기 촉발될 수도 있고, 유기 분자가 섭취되고 효소(enzyme) 작용에 의해 이화작용(catabolism)이 촉발될 때 동물이나 인간의 대사에 더 천천히 이용될 수도 있습니다.

모든 생명체는 성장하고 번식하기 위해 외부 에너지원에 의존합니다 – 녹색 식물의 경우에서 태양에서 복사되는 에너지가 있고, 동물의 경우에서 화학 에너지 (어떤 형태로든)가 있습니다. 성인에게 권장되는 일일 1500–2000 칼로리 (6–8 MJ)는 식품 분자로 취해지며, 대부분 탄수화물과 지방이며, 그 중 포도당 (C₆H₁₂O₆)과 스테아린 (C₅₇H₁₁₀O₆)이 편리한 예입니다. 음식 분자는 미토콘드리아(mitochondria)에서 이산화탄소와 물로 산화됩니다:$${{\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}}$$ $${{\ce {C57H110O6 + (81 1/2) O2 -> 57CO2 + 55H2O}}}$$ 그리고 에너지의 일부는 ADP를 ATP로 변환하기 위해 사용됩니다:

ADP + HPO₄²⁻ → ATP + H₂O

탄수화물이나 지방의 나머지 화학 에너지는 열로 변환됩니다: ATP는 일종의 "에너지 통화"로 사용되고, 여기에 포함된 화학 에너지 중 일부는 ATP가 OH 그룹과 반응하고 결국 ADP와 인산염으로 분리될 때 다른 대사(metabolism)에 사용됩니다 (대사 경로의 각 단계에서 일부 화학 에너지가 열로 변환됩니다). 원래 화학 에너지의 극히 일부만이 일(work)에 사용됩니다:

100 m 경주 동안 단거리 선수의 운동에너지에서 증가: 4 kJ

2 미터를 들어 올린 150 kg 무게의 중력 에너지에서 증가: 3 kJ

일반 성인의 일일 섭취량: 6–8 MJ

살아있는 유기체는 그것들이 받는 에너지 (화학적 또는 복사 에너지)를 사용하는 데 있어 (물리적 의미에서) 현저히 비효율적인 것으로 보입니다; 대부분의 기계는 더 높은 효율성을 관리합니다. 성장하는 유기체에서 열로 변환되는 에너지는 유기체 조직을 구성하는 분자와 관련하여 고도로 정렬되도록 하기 때문에 중요한 목적에 사용됩니다. 열역학의 두 번째 법칙에 따르면 에너지 (및 물질)는 우주 전체에 더욱 고르게 퍼지는 경향이 있습니다: 에너지 (또는 물질)를 특정 장소에 집중하기 위해, 우주의 나머지 부분 ("주변")에 더 많은 양의 에너지 (열)를 퍼뜨려야 합니다. 단순한 유기체는 복잡한 유기체보다 더 높은 에너지 효율을 달성할 수 있지만, 복잡한 유기체는 단순한 유기체가 이용할 수 없는 생태학적 틈새(ecological niches)를 차지할 수 있습니다. 대사 경로의 각 단계에서 화학 에너지의 일부가 열로 전환되는 것은 생태학에서 관찰되는 바이오매스 피라미드 뒤에 있는 물리적 이유입니다. 예를 들어, 먹이 사슬의 첫 번째 단계를 살펴보면, 광합성에 의해 고정된 탄소의 약 124.7 Pg/a 중 64.3 Pg/a (52%)가 녹색 식물의 신진대사에 사용되며, 즉, 이산화탄소와 열로 재전환됩니다.

Earth sciences

지질학(geology)에서, 대륙 이동(continental drift), 산맥(mountain ranges), 화산(volcanoes), 및 지진(earthquakes)은 지구 내부의 에너지 변환의 관점에서 설명될 수 있는 현상이고, 반면에 바람, 비, 우박(hail), 눈, 번개, 토네이도(tornadoes)와 허리케인(hurricanes)과 같은 기상(meteorological) 현상은 모두 태양 에너지에 의해 발생하는 대기에서 에너지 변화의 결과입니다.

햇빛은 온도와 기후 안정성을 설명하는 지구의 에너지 수지(Earth's energy budget)에 대한 주요 입력입니다. 햇빛은 지구에 부딪힌 후, (예를 들어) 물이 바다에서 증발하여 산에 쌓일 때 중력 퍼텐셜 에너지로 저장될 수 있습니다 (수력 발전 댐에서 방출된 후, 그것은 터빈이나 발전기를 구동하여 전기를 생산하기 위해 사용될 수 있습니다.). 햇빛은 역시 화산 활동으로 인해 발생하는 것과 같은 몇 가지 예외를 제외하고 대부분의 기상 현상을 주도합니다. 태양-매개 기상 현상의 예는 허리케인이며, 이는 따뜻한 바다의 크고 불안정한 지역이 몇 달에 걸쳐 가열되어 갑자기 열 에너지의 일부를 포기하여 며칠간의 격렬한 공기 이동에 전력을 공급할 때 발생합니다.

더 느린 과정에서, 지구 중심부에 있는 원자의 방사성 붕괴(radioactive decay)가 열을 방출합니다. 이 열 에너지는 판 구조론(plate tectonics)을 주도하고 조산(orogenesis)을 통해 산을 들어 올릴 수 있습니다. 이 느린 들어 올림은 열 에너지의 일종의 중력 퍼텐셜 에너지 저장을 나타내며, 이는 나중에 산사태 발생 후 활성 운동 에너지로 변환될 수 있습니다. 지진은 역시 궁극적으로 같은 방사성 열원에서 생성된 저장소인 암석에 저장된 탄성 위치 에너지를 방출합니다. 따라서, 현재의 이해에 따르면, 산사태나 지진과 같은 친숙한 사건은 지구 중력 필드의 퍼텐셜 에너지나 암석의 탄성 변형 (기계적 퍼텐셜 에너지)으로 저장되어 있던 에너지를 방출합니다. 그 전에는, 오랫동안 파괴된 초신성 별 (이들 원자를 생성함)이 붕괴된 이후 무거운 원자에 저장된 에너지의 방출을 나타냅니다.

Cosmology

우주론과 천문학에서 별, 신성, 초신성, 퀘이사, 및 감마선 폭발 현상은 우주에서 가장 높은-출력을 내는 물질의 에너지 변환입니다. 모든 별과-같은 현상 (태양 활동 포함)은 다양한 종류의 에너지 변환에 의해 주도됩니다. 그러한 변환에서 에너지는 물질 (보통 수소 분자)의 중력 붕괴로 인해 다양한 종류의 천체 (별, 블랙홀, 등)로, 또는 (가벼운 원소, 주로 수소의) 핵 융합에서 발생합니다. 태양에서 수소의 핵 융합(nuclear fusion)은 빅뱅(Big Bang) 당시 생성된 또 다른 퍼텐셜 에너지의 저장고를 방출합니다. 당시 이론에 따르면, 수소가 더 무거운 원소로 완전히 융합되기에는 공간이 팽창하고 우주가 너무 빨리 냉각되었습니다. 이것은 수소가 핵 융합에 의해 방출될 수 있는 퍼텐셜 에너지의 저장고임을 의미합니다. 그러한 융합 과정은 수소 구름이 별을 생성할 때 중력 붕괴로 인해 발생하는 열과 압력에 의해 촉발되며, 핵 융합 에너지의 일부는 햇빛으로 변환됩니다.

Quantum mechanics

Main article: Energy operator

양자 역학(quantum mechanics)에서, 에너지는 파동 함수(wave function)의 시간 도함수로서 에너지 연산자(energy operator, 해밀턴)로 정의됩니다. 슈뢰딩거 방정식(Schrödinger equation)은 에너지 연산자를 입자 또는 시스템의 전체 에너지와 동일시합니다. 그 결과는 양자 역학에서 에너지 측정의 정의로 고려될 수 있습니다. 슈뢰딩거 방정식은 양자 시스템의 천천히 변화하는 (비상대론적) 파동 함수의 공간-의존성 및 시간-의존성을 설명합니다. 경계 시스템에 대한 이 방정식의 해는 이산적 (각각 에너지 수준(energy level)으로 특징지어지는 허용된 상태의 집합)이며, 이는 양자(quanta)라는 개념을 낳습니다. 임의의 발진기 (진동기) 및 진공 상태에서 전자기파에 대한 슈뢰딩거 방정식의 해에서, 결과 에너지 상태는 플랑크의 관계(Planck's relation): $E=h\nu$ (여기서 $h$는 플랑크 상수(Planck constant)이고 $\nu$는 주파수)에 따라 주파수와 관련됩니다. 전자기파의 경우에서, 이들 에너지 상태는 빛의 양자 또는 광자(photons)라고 불립니다.

Relativity

뉴턴 역학 대신 로렌츠 변환을 사용하여 운동 에너지 (거대한 몸체를 영 속력에서 유한 속력으로 가속하기 위한 일)를 상대론적으로 계산할 때, 아인슈타인은 이러한 계산의 예상치 못한 부산물이 영 속력에서 사라지지 않는 에너지 항임을 발견했습니다. 그는 그것을 정지 에너지(rest energy)라고 불렀습니다: 모든 각 거대한 몸체는 정지하고 있을 때에도 반드시 소유해야 하는 에너지입니다. 에너지의 총양은 몸체의 질량에 정비례합니다:

$$E_{0}=m_{0}c^{2},$$ 여기서

• $m_{0}$는 몸체의 정지 질량(rest mass)입니다,
• $c$는 진공에서 빛의 속력(speed of light)입니다,
• $E_{0}$는 정지 에너지입니다.

예를 들어, 전자-양전자 소멸을 생각해 보십시오 – 이것에서 이들 두 개별 입자의 정지 에너지 (정지 질량과 동등함)는 과정에서 생성된 광자의 복사 에너지로 변환됩니다. 이 시스템에서 물질과 반물질 (전자와 양전자)이 파괴되어 비물질(광자)로 변합니다. 어쨌든, 이 상호작용 동안 전체 질량과 전체 에너지는 변하지 않습니다. 광자 각각은 정지 질량을 가지지 않지만 그럼에도 불구하고 두 개의 원래 입자와 동일한 관성을 나타내는 복사 에너지를 가집니다. 이것은 가역적 과정입니다 – 역 과정은 쌍 생성(pair creation)이라고 불립니다 – 이것에서 입자의 나머지 질량은 두 개 (또는 그 이상)의 소멸 광자의 복사 에너지로부터 생성됩니다.

일반 상대성에서, 스트레스-에너지 텐서(stress–energy tensor)는 질량이 비상대론적 뉴턴 근사법에서 소스 항으로 사용되는 방법과 대략적으로 유사하게 중력 필드의 소스 항으로 사용됩니다.

에너지와 질량은 하나의 표현이고 시스템의 같은 기본 물리적 속성의 표현입니다. 이 속성은 시스템의 중력 상호작용의 관성과 강도 ("질량 발현")를 담당하고, 역시 다른 물리적 법칙의 제한에 따라 일 또는 가열 ("에너지 표현")을 수행하는 시스템의 잠재적 능력을 담당합니다.

고전 물리학(classical physics)에서 에너지는 스칼라 양, 즉 시간에 대한 정식 켤레(canonical conjugate)입니다. 특수 상대성(special relativity)에서, 에너지는 역시 스칼라입니다 (비록 로렌츠 스칼라(Lorentz scalar)는 아니지만 에너지-운동량 4-벡터(energy–momentum 4-vector)의 시간 구성요소입니다). 다시 말해서, 에너지는 공간의 회전에 관해 불변하지만, 시공간 (= 부스트)의 회전에 관해 불변이지 않습니다.

Transformation

Main article: Energy transformation

Some forms of transfer of energy ("energy in transit") from one object or system to another

Type of transfer process	Description
Heat	equal amount of thermal energy in transit spontaneously towards a lower-temperature object
Work	equal amount of energy in transit due to a displacement in the direction of an applied force
Transfer of material	equal amount of energy carried by matter that is moving from one system to another

A turbo generator transforms the energy of pressurized steam into electrical energy.

에너지는 다양한 효율로 다양한 형태 사이로 변환될 수 있습니다. 이러한 형태 사이에서 변형되는 항목은 변환기(transducers)라고 불립니다. 변환기의 예제는 배터리 (화학 에너지에서 전기 에너지로), 댐 (중력 퍼텐셜 에너지에서 움직이는 물 (및 터빈 블레이드)의 운동 에너지로, 그리고 궁극적으로 전기 생성기를 통한 전기 에너지로) 및 열 엔진 (열에서 일로)를 포함합니다.

에너지 변환의 예로는 증기 터빈을 통해 열 에너지에서 전기 에너지를 생성하거나, 크레인 모터를 구동하는 전기 에너지를 사용하여 중력에 맞서 물체를 들어 올리는 것이 있습니다. 중력에 대항하여 들어 올리는 것은 물체에 기계적 일을 수행하고 물체에 중력 퍼텐셜 에너지를 저장합니다. 만약 물체가 땅에 떨어지면, 중력은 중력 필드에서 퍼텐셜 에너지를 땅과 충돌할 때 열로 방출되는 운동 에너지로 변환하는 기계적 일을 물체에 수행합니다. 태양은 핵 퍼텐셜 에너지(nuclear potential energy)를 다른 형태의 에너지로 변환합니다; 총 질량은 그 자체로 인해 감소하지 않지만 (왜냐하면 그것은 다른 형태에서도 여전히 같은 총 에너지를 포함하기 때문) 그것의 질량은 에너지가 주로 복사 에너지(radiant energy)로 주변으로 빠져나가면 감소합니다.

순환 과정, 예를 들어, 카르노의 정리와 열역학의 두 번째 법칙으로 설명될 때 열기관에서 열이 얼마나 효율적으로 일(work)로 변환될 수 있는지에는 엄격한 제한이 있습니다. 어쨌든, 일부 에너지 변환은 꽤 효율적일 수 있습니다. 에너지에서 변환 방향 (어떤 종류의 에너지가 다른 종류로 변환되는지)은 종종 엔트로피 (사용 가능한 모든 자유도에 균등하게 에너지가 분산됨) 고려사항에 의해 결정됩니다. 실제로 모든 에너지 변환은 소규모로 허용되지만, 더 큰 특정 변환은 허용되지 않는데, 왜냐하면 에너지나 물질이 더 집중된 형태나 더 작은 공간으로 무작위로 이동할 가능성이 통계적으로 거의 없기 때문입니다.

시간이 지남에 따라 우주에서 에너지 변환은 빅뱅(Big Bang) 이후 사용 가능했던 다양한 종류의 퍼텐셜 에너지가 트리거링 메커니즘을 사용할 수 있을 때 "방출" (운동 또는 복사 에너지와 같은 보다 활동적인 유형의 에너지로 변환됨)되는 것이 특징입니다. 그러한 과정의 친숙한 예로는 무거운 동위원소 (예를 들어, 우라늄 및 토륨) 생성 시 에너지를 "저장"하기 위해 초신성(supernovae)의 중력 붕괴(gravitational collapse)에서 방출된 중력 퍼텐셜 에너지를 궁극적으로 사용하는 과정인 핵합성(nucleosynthesis)과 이들 무거운 원소에서, 그것들이 태양 시스템과 지구에 통합되기 전에 원래 저장되어 있던 에너지가 방출되는 과정인 핵붕괴(nuclear decay)가 있습니다. 이 에너지는 핵 분열 폭탄(fission bombs)이나 민간 원자력 발전에서 촉발되고 방출됩니다. 유사하게, 화학 폭발(chemical explosion)의 경우에서, 화학적 퍼텐셜(chemical potential) 에너지는 매우 짧은 시간에 운동 에너지와 열 에너지로 변환됩니다.

또 다른 예는 진자(pendulum)의 경우입니다. 가장 높은 지점에서, 운동 에너지가 영이고 중력 퍼텐셜 에너지는 최대입니다. 가장 낮은 지점에서, 운동 에너지는 최대에 있고 퍼텐셜 에너지에서 감소와 같습니다. 만약 우리가 (비현실적으로) 마찰(friction)이나 기타 손실이 없다고 가정하면, 이들 과정 사이의 에너지 변환은 완벽할 것이고, 진자는 영원히 계속 흔들릴 것입니다.

에너지는 역시 퍼텐셜 에너지 ($E_{p}$)에서 운동 에너지 ($E_{k}$)로 이동하고 그런-다음 다시 퍼텐셜 에너지로 끊임없이 이동합니다. 이것은 에너지 보존이라고 참조됩니다. 이러한 고립된 시스템(isolated system)에서, 에너지가 생성되거나 파괴될 수 없습니다; 그러므로, 초기 에너지와 최종 에너지는 서로 같을 것입니다. 이것은 다음을 통해 시연될 수 있습니다:

$$E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}$$

(4)

그런 다음 $E_{p}=mgh$ (질량 곱하기 중력으로 인한 가속도 곱하기 높이) 및 ${\textstyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$(절반 질량 곱하기 속도 제곱)이므로 방정식은 더욱 단순화될 수 있습니다. 그런 다음 에너지의 총양은 $E_{p}+E_{k}=E_{\text{total}}$를 더함으로써 구할 수 있습니다.

Conservation of energy and mass in transformation

에너지는 그것이 무게를 측정될 수 있는 영 운동량을 갖는 시스템에 갇혀 있을 때 무게를 발생시킵니다. 그것은 역시 질량과 동등하고, 이 질량은 항상 질량과 결합되어 있습니다. 질량은 역시 일정량의 에너지와 동등하고, 마찬가지로 질량-에너지 등가(mass–energy equivalence)에서 설명된 것처럼 항상 질량과 결합되어 나타납니다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein (1905)에 의해 유도된 공식 $E=mc^{2}$는 특수 상대성의 개념 내에서 상대론적 질량(relativistic mass)과 에너지 사이의 관계를 정량화합니다. 다양한 이론적 프레임워크에서, 유사한 공식이 J.J. Thomson (1881), Henri Poincaré (1900), Friedrich Hasenöhrl (1904), 및 다른 사람들에 의해 유도되었습니다 (자세한 내용에 대해 Mass–energy equivalence#History를 참조).

물질의 정지 에너지 (정지 질량과 동등)의 일부는 다른 형태의 에너지 (여전히 질량을 나타냄)로 변환될 수 있지만, 에너지나 질량은 모두 파괴될 수 없습니다; 오히려, 임의의 과정 중에 둘 다는 일정하게 유지됩니다. 어쨌든, $c^{2}$는 보통의 인간 저울에 비해 매우 크기 때문에, 일상적인 정지 질량 (예를 들어, 1 kg)을 정지 에너지에서 다른 형태의 에너지 (예를 들어, 운동 에너지, 열 에너지, 또는 빛과 기타 방사선에 의해 전달되는 복사 에너지)로 변환은 원자로와 핵무기에서 볼 수 있듯이 엄청난 양의 에너지 (~$9\times 10^{16}$ 줄 = TNT 21 메가톤)를 방출할 수 있습니다. 반대로, 일상적인 에너지 총양과 동등한 질량은 극소량이며, 이는 에너지 손실이 매우 크지 않은 한 대부분의 시스템에서 에너지 손실 (질량 손실)을 저울로 측정하기가 어려운 이유입니다. (물질의) 정지 에너지와 다른 형태의 에너지 (예를 들어, 정지 질량을 갖는 입자로의 운동 에너지) 사이의 대규모 변환의 예는 핵 물리학 및 입자 물리학에서 찾을 수 있습니다. 어쨌든, 종종 물질 (예를 들어, 원자)이 비물질 (예를 들어, 광자)로 완전히 변환되는 것은 보존 법칙에 의해 금지됩니다.

Reversible and non-reversible transformations

열역학은 에너지 변환을 가역적 과정(reversible processes)과 비가역적 과정(irreversible processes)이라는 두 가지 종류로 나눕니다. 비가역적 과정은 에너지가 부피에서 사용 가능한 빈 에너지 상태로 소산 (확산)되는 과정으로, 더 많은 에너지가 저하되지 않으면 더 집중된 형태 (더 적은 양자 상태)로 복구될 수 없습니다. 가역적 과정은 이러한 종류의 소산이 발생하지 않는 과정입니다. 예를 들어, 위에서 설명된 진자 시스템에서와 같이 한 유형의 퍼텐셜 필드에서 또 다른 유형의 퍼텐셜 필드로의 에너지 변환은 가역적입니다. 열이 발생되는 과정에서, 원자 사이의 필드에 가능한 여기로 존재하는 낮은 에너지의 양자 상태는 100% 효율로 다른 에너지의 형태로 변환하기 위해 회수될 수 없는 에너지의 일부에 대한 저장고 역할을 합니다. 이 경우에서, 에너지는 부분적으로 열 에너지로 남아 있어야 하고 우주 (예를 들어, 물질의 팽창 또는 결정의 무작위화)에서 양자 상태의 무질서에서 열과-같이 증가의 일부 다른 종류에서 증가를 치르는 경우를 제외하고는 사용 가능한 에너지로 완전히 회수될 수 없습니다.

우주가 시간이 지나면서 진화함에 따라, 점점 더 많은 에너지가 비가역적 상태 (즉, 열이나 다른 종류의 무질서 증가)에 갇혀 있게 됩니다. 이것은 우주의 불가피한 열역학적 열사멸에 대한 가설로 이어졌습니다. 이 열사멸에서 우주의 에너지는 변하지 않지만, 열기관을 통해 일을 하거나 (열기관에 부착된 발전기를 통해) 다른 사용 가능한 에너지의 형태로 변환될 수 있는 에너지의 비율은 계속해서 감소합니다.

Conservation of energy

Main article: Conservation of energy

에너지는 생성되지도 소멸되지도 않는다는 사실은 에너지 보존(conservation of energy)의 법칙이라고 불립니다. 열역학 첫 번째 법칙(first law of thermodynamics)의 형식에서, 이것은 에너지가 일(work)이나 열(heat)로 들어오거나 나가지 않은 한 닫힌 시스템(closed system)의 에너지는 일정하고, 전달 중에 에너지가 손실되지 않는다고 말합니다. 시스템으로의 총 에너지 유입은 시스템으로부터의 총 에너지 유출과 시스템 내에 포함된 에너지의 변화를 더한 것과 같아야 합니다. 상호작용이 시간에 명시적으로 의존하지 않는 입자 시스템의 총 에너지를 측정 (또는 계산)할 때마다, 시스템의 총 에너지는 항상 일정하게 유지된다는 사실을 찾았습니다.

이상적인 기체의 가역적 등온 팽창에서 열은 항상 일로 완전히 변환될 수 있지만, 열 엔진(heat engines)에서 실제로 관심을 끄는 순환 과정에 대해 열역학 두 번째 법칙(second law of thermodynamics)에 따르면 일을 행하는 시스템은 항상 일부 에너지를 폐열(waste heat)로 잃습니다. 이로 인해 순환 과정에서 일을 할 수 있는 열 에너지의 총양, 즉 가용 에너지(available energy)라고 불리는 한계가 생성됩니다. 기계적 에너지와 다른 형태의 에너지는 그러한 제한 없이 다른 방향에서 열에너지(thermal energy)로 변환될 수 있습니다. 시스템의 총 에너지는 시스템에서 모든 형태의 에너지를 합산하여 계산될 수 있습니다.

리처드 파인만(Richard Feynman)은 1961년 강의에서 다음과 같이 말했습니다:

현재까지 알려진 모든 자연 현상을 지배하는 사실, 또는 여러분이 원한다면, "법칙"이 있습니다. 이 법칙에는 알려진 예외가 없습니다 – 우리가 아는 한 그것은 정확합니다. 그 법칙은 에너지 보존이라고 불립니다. 그것은 자연이 겪는 다양한 변화 속에서도 변하지 않는, 우리가 에너지라고 부르는 특정한 양이 있다고 말합니다. 그것은 수학적 원리이기 때문에 가장 추상적인 아이디어입니다: 무슨 일이 일어나도 변하지 않는 수치적인 양이 있다는 뜻입니다. 이는 메커니즘에 대한 설명이나 구체적인 내용이 아닙니다; 우리가 어떤 숫자를 계산할 수 있고 자연이 속임수를 쓰는 것을 지켜보고 다시 숫자를 계산할 때, 그것이 똑같다는 사실은 이상한 일입니다.

— The Feynman Lectures on Physics

대부분의 종류의 에너지 (중력 에너지는 유명한 예외)에도 엄격한 지역 보존법이 적용됩니다. 이 경우에서, 에너지는 공간의 인접한 영역 사이에서만 교환될 수 있고, 모든 관찰자는 임의의 주어진 공간에서 에너지의 부피적 밀도에 대해 동의합니다. 역시 우주의 총 에너지는 변할 수 없다는 전역 에너지 보존 법칙도 있습니다; 이것은 지역 법칙의 당연한 따름정리이지만, 그 반대는 아닙니다.

이 법칙은 물리학의 기본 원리입니다. 뇌터의 정리(Noether's theorem)에 의해 엄격하게 입증된 바와 같이, 에너지 보존은 시간의 평행이동적 대칭(translational symmetry)의 수학적 결과이며, 이는 우주 규모 이하의 대부분 현상이 시간 좌표 위의 위치와 무관하게 만드는 속성입니다. 다르게 말하면, 어제, 오늘, 및 내일은 물리적으로 구별할 수 없습니다. 이것은 에너지가 시간과 정식의 켤례(canonical conjugate)인 양이기 때문입니다. 에너지와 시간의 이러한 수학적 얽힘은 역시 불확정성 원리를 초래합니다 – 즉, 특정 시간 구간 동안 에너지의 정확한 양을 정의하는 것은 불가능합니다 (이것은 실제로는 매우 짧은 시간 구간에만 중요합니다). 불확정성 원리는 에너지 보존과 혼동되어서는 안 됩니다 – 오히려 그것은 에너지가 원칙적으로 정의되고 측정될 수 있는 수학적 극한을 제공합니다.

자연의 기본 힘 각각은 서로 다른 유형의 퍼텐셜 에너지와 결합되어 있고, (모든 다른 유형의 에너지와 마찬가지로) 모든 유형의 퍼텐셜 에너지는 존재할 때마다 시스템 질량(mass)으로 나타납니다; 예를 들어, 압축된 스프링은 압축되기 전보다 약간 더 무거워집니다. 마찬가지로, 어떤 메커니즘을 통해 시스템 사이에 에너지가 전달될 때마다 결합된 질량도 함께 전달됩니다.

양자 역학(quantum mechanics)에서, 에너지는 해밀턴 연산자(Hamiltonian operator)를 사용하여 표현됩니다. 어떤 시간 규모에서든, 에너지의 불확실성은 다음엠 의한 것입니다:

$\Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}$

이는 형태 면에서 하이젠베르크 불확정성 원리(Heisenberg uncertainty principle)와 유사합니다 (그러나 H와 t는 고전역학이나 양자 역학에서 동적으로 켤레 변수가 아니기 때문에, 실제로 수학적으로 동등하지는 않습니다).

입자 물리학(particle physics)에서, 이 부등식은 운동량(momentum)을 전달하는 가상 입자(virtual particles)의 질적인 이해를 가능하게 합니다. 가상 입자와 실제 입자의 교환은 모든 알려진 토대 힘(fundamental forces, 보다 정확하게는 토대 상호 작용(fundamental interactions)으로 알려짐)의 생성을 담당합니다. 가상 광자(Virtual photons)는 역시 전하(electric charges) 사이의 정전기적 상호-작용 (쿨롱의 법칙이 발생함), 여기된 원자 및 핵 상태의 자발적인 복사 붕괴, 카시미르 힘(Casimir force), 반 데르 발스 힘(Van der Waals force), 및 기타 관찰 가능한 현상을 담당합니다.

Energy transfer

"Energy transfer" redirects here. For the pipeline company, see Energy Transfer Partners.

Closed systems

에너지 전달은 물질의 전달에 닫혀 있는 시스템의 특별한 경우에 대해 고려될 수 있습니다. 거리에 걸쳐 보존 힘(conservative forces)에 의해 전달되는 에너지의 일부는 원천 시스템이 수신 시스템에 수행하는 일(work)로 측정됩니다. 전달 중에 일을 하지 않는 에너지의 일부는 열(heat)이라고 불립니다. 에너지는 다양한 방식으로 시스템 사이에 전송될 수 있습니다. 예를 들어 광자를 통한 전자기 에너지(electromagnetic energy)의 전달, 운동 에너지(kinetic energy)를 전달하는 물리적 충돌, 조수 상호 작용(tidal interactions), 및 열 에너지(thermal energy)의 전도성 전달이 포함됩니다.

에너지는 엄격하게 보존되고, 그것이 정의될 수 있는 모든 곳에서 지역적으로 보존됩니다. 열역학에서, 닫힌 시스템에 대해, 에너지 전달의 과정은 첫 번째 법칙으로 설명됩니다:

$\Delta {}E=W+Q$

(1)

여기서 $E$는 전달된 에너지의 총양이고, $W$는 시스템에서 또는 시스템에 의해 수행된 일을 나타내고, $Q$는 시스템 내부 또는 외부로 흐르는 열 흐름을 나타냅니다. 단순화하자면, 열 항 $Q$는 때때로 무시될 수 있으며, 특히 열 전도율이 낮은 기체를 포함하는 빠른 공정에 대해, 또는 전달의 열 효율(thermal efficiency)이 높을 때 더욱 그렇습니다. 그러한 단열 과정(adiabatic processes)에 대해,

$\Delta {}E=W$

(2)

이 단순화된 방정식은, 예를 들어, 줄(joule)을 정의하기 위해 사용되는 것입니다.

Open systems

닫힌 시스템의 제약을 넘어서, 열린 시스템(open systems)은 물질 전달과 관련하여 에너지를 얻거나 잃을 수 있습니다. (이 과정은 공기-연료 혼합물을 자동차 엔진에 주입하는 것으로 설명되며, 이 시스템은 일 또는 열 둘 다를 추가하지 않고도 에너지를 얻습니다). 이 에너지를 $E_{\text{matter}}$에 의해 표시하여, 다음을 쓸 수 있습니다:

$\Delta E=W+Q+E_{\text{matter}}.$

(3)

Thermodynamics

Internal energy

내부 에너지(Internal energy)는 시스템의 모든 미시적 형태의 에너지의 합입니다. 그것은 시스템을 만드는 데 필요한 에너지입니다. 그것은 퍼텐셜 에너지, 예를 들어, 분자 구조, 결정 구조, 및 기타 기하학적 측면과 마찬가지로 운동 에너지 형태에서 입자의 운동과 관련이 있습니다. 열역학은 주로 내부 에너지의 변화와 관련이 있고 열역학만으로는 결정할 수 없는 절댓값이 아닙니다.

First law of thermodynamics

열역학의 첫 번째 법칙(first law of thermodynamics)은 시스템과 그 주변 환경의 총 에너지 (그러나 반드시 열역학적 자유 에너지는 아님)가 항상 보존되고 열 흐름은 에너지 전달의 한 형태라고 주장합니다. 잘-정의된 온도와 압력을 갖는 동차 시스템에 대해, 공통적으로 사용되는 첫 번째 법칙의 따름정리는 화학적 변화 없이 압력(pressure) 힘과 열 전달에만 영향을 받는 시스템 (예를 들어, 기체로 가득 찬 실린더)에 대해, (양의 양에 의해 표시되는 에너지에서 이득(gain)을 갖는) 시스템의 내부 에너지에서 미분 변화는 다음으로 제공됩니다:

$\mathrm {d} E=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V\,$,

여기서 오른쪽의 첫 번째 항은 시스템으로 전달된 열이며, 온도 T와 엔트로피 S (이것에서 열이 시스템에 더해질 때 엔트로피가 증가하고 그 변화 dS는 양수임)의 관점에서 표현되고, 오른쪽에서 마지막 항은 시스템에서 수행된 일로 식별되며, 여기서 압력은 P이고 부피는 V입니다 (시스템을 압축하려면 일이 수행되어야 하므로 음수 부호가 나타나고 따라서 부피 변화, dV는 일이 시스템에 수행될 때 음수입니다).

이 방정식은 모든 화학적, 전기적, 핵 힘, 및 중력 힘과 열 및 PV-일 이외의 임의의 형태의 에너지 이류(advection)와 같은 효과를 무시하고 매우 특정합입니다. 첫 번째 법칙 (즉, 에너지 보존)의 일반적인 형식화는 시스템이 동차가 아닌 상황에서도 유효합니다. 이들 경우에 대해 닫힌 시스템의 내부 에너지에서 변화는 다음에 의한 일반적인 형태로 표현됩니다:

$\mathrm {d} E=\delta Q+\delta W$

여기서 $\delta Q$는 시스템에 공급되는 열이고 $\delta W$는 시스템에 가해지는 일입니다.

Equipartition of energy

기계적 조화 진동자(harmonic oscillator, 스프링 위의 질량)의 에너지는 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지가 교대로 나타납니다. 진동 주기(cycle)의 두 지점에서, 그것은 완전히 운동이고, 두 지점에서 그것은 완전히 퍼텐셜입니다. 전체 주기에 걸쳐, 또는 여러 주기에 걸쳐, 평균 에너지는 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지로 균등하게 나뉩니다. 이것은 등분할 원리(equipartition principle)의 한 예제입니다: 많은 자유도를 갖는 시스템의 총 에너지는 평균적으로 사용 가능한 모든 자유도에 균등하게 분배됩니다.

이 원리는 엔트로피(entropy)라고 불리는 에너지와 밀접하게 관련된 양의 행동을 이해하는 데 매우 중요합니다. 엔트로피는 시스템의 부분들 사이의 에너지 분포(distribution)의 균일성을 측정하는 것입니다. 고립된 시스템이 더 많은 자유도를 제공될 때 (즉, 기존 상태와 같은 새로운 사용 가능한 에너지 상태를 주어질 때), 총 에너지는 "새로운" 자유도와 "기존" 자유도를 구분 없이 모든 사용 가능한 자유도에 균등하게 퍼집니다. 이 수학적 결과는 열역학 두 번째 법칙(second law of thermodynamics)의 일부입니다. 열역학 두 번째 법칙은 물리적 평형 상태에 가깝거나 평형 상태(equilibrium state)에 있는 시스템에 대해서만 간단합니다. 비-평형 시스템에 대해, 시스템의 동작을 지배하는 법칙은 여전히 논쟁의 여지가 있습니다. 이러한 시스템의 기본 원리 중 하나는 최대 엔트로피 생성(maximum entropy production)의 원리입니다. 그것은 비평형 시스템이 그것들의 엔트로피 생성을 최대화하는 방법으로 행동한다고 말합니다.

See also

• Combustion
• Energy democracy
• Index of energy articles
• Index of wave articles
• Orders of magnitude (energy)
• Power station
• Transfer energy

Further reading

Journals

• The Journal of Energy History / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE), 2018–

External links

• Energy at Curlie
• Differences between Heat and Thermal energy (Archived 2016-08-27 at the Wayback Machine) – BioCab