상호작용과 에너지

우리는 직관적으로 에너지를 인식한다. 어떤 점에서는 본능과 같다. 알에서 깨어난 곤충들이 유전자의 기록에 따라 행동할 때 ‘본능’이 드러난다. ‘에너지’가 드러나기 위해서도 조건이 필요하다. 대본과 무대 없이는 배우를 볼 수 없는 것과 같다.

에너지가 드러나기 위한 조건이란 물질과 물질들 간의 상호작용을 말한다. 물질과는 달리 상호작용은 실체가 아니라서 이해하기 ‘불편할’ 수도 있다. 바람이나 나뭇가지가 아니라, ‘바람의 갈라짐이나 나뭇가지의 흔들림’에 대하여 말하는 것처럼.

상호작용이란 운동의 제3법칙이다. 바람이 나뭇가지를 치면 나뭇가지도 바람을 가른다. 한 쪽이 작용이라는 힘이라면 다른 쪽은 반작용의 힘이다. 힘의 존재가 상호작용을 증명한다. 나뭇가지가 흔들리고 바람이 갈라지는 것이 힘의 결과다. 폭발을 통해 로켓이 연료를 뒤로 밀면(작용), 연료는 로켓을 앞으로 민다(반작용). 로켓이 비행하는 것은 반작용의 힘이 만들어낸 결과이다.

상호작용으로 인한 변화가 에너지의 원천이다. 위치에너지를 추출하려면 지구와 사과라는 두 물체와 낙하라는 상호작용의 가시적 결과가 필요하다. 만유인력이라는 상호작용만으로는 부족하다는 것이다. 열에너지를 추출하려면 온도가 다른 두 물체와 온도가 감소하는 상호작용의 결과가 필요하다. 빛에너지를 보고 싶으면 광자와 상호작용이 가능한 색소와 광자의 소멸이라는 결과가 필요하다. 압력에너지를 추출하려면 풍선과 압력 감소가 필요하다. 풍선 속의 압력이 대기압 수준으로 감소할 때 압력에너지가 모습을 드러내는 것이다. 이는 단위로도 증명할 수 있다.

따라서 압력도 높고 부피도 큰 커다란 풍선은 그렇지 못한 풍선보다 에너지가 많이 들어 있을 것이다.

변화가 있는 곳에는 에너지의 변환이 있다. 도선 속의 전자의 운동성은 저항에 의해 감소된다. 이것이 온열 장치에서 열이 발생되는 원리다. 백열전구에서 빛이 나오는 것은 온열 장치보다 강한 저항(텅스텐)으로 인해 마찰열이 집중적으로 추출되면서 만들어진 고온의 결과다. 텅스텐의 전자 궤도가 열을 흡수하여 다양한 파장의 광자를 방출한다. 자연계 학생이라면 에너지에 대하여 무지해서는 안된다. 일상의 현상들은 에너지 변환의 흥미로운 원리, 즉 상호작용을 담고 있다.

질문1

수소 기체나 메탄가스에는 많은 에너지가 들어 있다. 화학에너지가 그것인데, 화학에너지를 추출하는 원리에 대하여 설명하시오. 가령, 위치에너지는 낙하에 인해 추출된다.

질문2

안테나가 제거된 TV, 휴대전화를 우리가 이용할 수 없는 이유는 무엇인지 설명하시오.

답변1

결합력의 세기입니다. 탄소와 수소보다는 탄소와 산소, 수소와 산소와 결합할 때 보다 강한 결합이 됩니다. 강한 결합은 안정하며, 안정할수록 낮은 에너지 상태에 있다고 말합니다. 결국 보다 강한 결합을 이끄는 상호작용을 통해 에너지가 추출되는 것입니다.

답변2

안테나는 에너지 변환 장치이다. 엽록소가 붉은색 광자를 붙잡아 전류를 생성하듯, 특정 길이의 안테나는 특정 파장의 전자기파를 붙잡아 전류를 만든다. 엽록소 없이 식물이 생존할 수 없는 것처럼, 안테나 없이 TV, 휴대전화가 작동할 수 없는 것이다.

-백광현 ㈜엘림에듀 자연계 논술 대표 저자