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위치 에너지

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요약 강철공은 땅에 떨어져 있을 때보다 땅 위로 올려질 때 더 큰 위치 에너지를 가진다. 올라가 있는 상태에서는 더 많은 일을 할 수 있는 능력이 있다. 위치 에너지는 물체나 입자의 특성이 아닌 계의 특성이다. 예를 들어 지구와 올려진 공으로 구성된 계는 둘이 서로 멀리 떨어져 있을수록 더 많은 위치 에너지를 가진다. 위치 에너지는 운동 에너지로 변환될 수 있으며, 다시 전기 에너지와 같은 다른 형태로 바뀔 수도 있다. 따라서 댐의 물이 터빈을 통해 낮은 곳으로 흐르면서 발전기를 돌려 전기 에너지를 만들어낸다. 이때 난류 현상과 마찰로 인해 발생되는, 사용할 수 없는 열 에너지도 함께 생성된다. 역사적으로 위치 에너지는 운동 에너지와 함께 역학적 에너지를 구성했으며 중력계에서 전체 에너지로서 일정한 값을 갖는다.

위치 에너지(potential energy)

ⓒ Penny Mayes/wikipedia | CC BY-SA 2.0

스프링은 늘어나 있거나 압축되어 있을 때에 더 많은 에너지를 가진다. 강철공은 땅에 떨어져 있을 때보다 땅 위로 올려질 때에 더 큰 위치 에너지를 가진다. 올라가 있는 상태에서는 더 많은 일을 할 수 있는 능력이 있다.

위치 에너지는 각각의 물체 또는 입자의 특성이 아닌 계의 특성이다. 예를 들면 지구와 올려진 공으로 구성된 계는 둘이 서로 멀리 떨어져 있을수록 더 많은 위치 에너지를 가진다.

위치 에너지는 각 부분들 사이에 작용하는 힘의 크기가 각 부분들의 상대적인 위치에 의존하는 계에서 생긴다. 지구와 공의 계에서 둘 사이의 중력은 그 둘이 떨어져 있는 거리에 좌우된다. 따라서 그 둘을 더 멀리 떨어뜨리려는 일은 계에 에너지를 증가시키도록 전달되며, 이는 중력 위치 에너지의 형태로 저장된다.

대전(帶電)된 축전기판 사이에 저장된 에너지는 전기적 위치 에너지라고 하며 일반적으로 화학 에너지라고 말하는, 일을 하거나 구성비(構成比)를 변화시키면서 열을 방출하는 물질의 능력도 분자와 원자 상호간의 힘에서 비롯된 위치 에너지로 간주할 수 있다. 핵 에너지도 역시 위치 에너지의 한 형태이다. 입자들로 이루어지는 계의 위치 에너지는 처음과 마지막 배치에 의해서만 결정되며 입자가 진행하는 경로에 무관하다. 강철공과 지구의 경우에는, 만약 공의 처음 위치가 지표면이고 마지막 위치가 땅에서 10m 떨어져 있는 곳이라면 공이 올려진 방법이나 경로에 관계없이 위치 에너지가 같다. 위치 에너지의 값은 임의로 선택된 기준점과 관계가 있다. 위의 경우에 만약 처음 위치가 10m 깊이의 구덩이 바닥이었다면 공의 위치 에너지는 2배가 된다.

지표면 근처의 중력 에너지는 물체의 무게에 기준점으로부터 올려져 있는 거리를 곱함으로써 계산된다. 핵의 전기력에 의해 전자가 잡혀 있는 원자와 같은 구속계(bound system)의 경우 위치 에너지가 0인 기준점은 전기력이 검출되지 않을 정도로 핵으로부터 멀리 떨어진 거리가 된다. 이 경우에 구속된 전자는 음의 위치 에너지를 가지게 되며 핵으로부터 자유롭고 정지 상태에 있는 전자는 위치 에너지가 0이 된다.

위치 에너지는 운동 에너지로 변환될 수 있으며, 다시 전기 에너지와 같은 다른 형태로 바뀔 수도 있다. 이에 따라 댐의 물이 터빈을 통해 낮은 곳으로 흐르면서 발전기를 돌려 전기 에너지를 만들어낸다. 이때 난류 현상과 마찰로 인해 발생되는, 사용할 수 없는 열 에너지도 함께 생성된다. 역사적으로 위치 에너지는 운동 에너지와 함께 역학적 에너지를 구성했으며 중력계에서는 전체 에너지로서 일정한 값을 갖는다.

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