에너지 전환과 효율 — 열은 왜 전부 일이 되지 못할까

에너지는 사라지지 않습니다. 모습을 바꿀 뿐 총량은 그대로라는 것이 에너지 보존 법칙입니다. 그런데 이상합니다. 사라지지 않는다면 왜 전기를 아껴 쓰라고 할까요. 답은 에너지 전환에 있습니다. 한 번 바꿀 때마다 쓸모 있는 몫이 줄어들고, 얼마나 줄었는지를 재는 숫자가 효율입니다.

에너지는 모습만 바꿉니다

우리가 에너지를 쓴다는 말은 사실 모습을 바꾼다는 뜻입니다. 댐에 고인 물은 위치 에너지를 가집니다. 물이 떨어지며 운동 에너지가 되고, 터빈이 돌면서 발전기가 전기 에너지를 만들고, 그 전기가 전구에서 빛이 됩니다.

둘레를 봐도 전환뿐입니다. 광합성은 빛 에너지를 화학 에너지로 바꾸고, 건전지는 화학 에너지를 전기 에너지로, 전기난로는 전기 에너지를 열에너지로 바꿉니다. 우리 몸도 밥의 화학 에너지를 운동 에너지로 바꿔 씁니다.

그런데 사슬의 단계마다 조금씩 옆으로 새는 몫이 있습니다. 터빈의 축은 마찰로 뜨거워지고, 전선은 저항 때문에 데워지고, 전구는 만지기 어려울 만큼 달아오릅니다. 새어 나간 것은 거의 전부 열입니다. 그래도 새어 나간 열까지 남김없이 더하면 처음 에너지와 정확히 같습니다. 에너지는 정말로 사라지지 않습니다.

효율은 쓸모로 간 몫입니다

그러니 문제는 양이 아니라 어디로 갔는가입니다. 공급한 에너지 가운데 원래 하려던 일에 쓰인 몫의 비율, 그것이 효율입니다.

전구에 1000 J 의 전기 에너지를 넣었는데 빛으로 나온 것이 50 J 이라면 효율은 5 % 입니다. 나머지 950 J 은 열로 흩어집니다. 같은 밝기를 내면서 전기를 적게 먹는 조명이 있다면, 그것은 빛으로 가는 몫이 크다는 뜻입니다.

효율이 100 % 인 기계는 없습니다. 손실된 에너지가 사라진 것은 아니지만, 사방으로 흩어진 열은 다시 그러모아 쓰기가 몹시 어렵습니다. 에너지를 아끼자는 말은 쓸모 있는 형태로 남은 몫이 줄어드는 것을 아끼자는 말입니다.

열은 왜 전부 일이 되지 못할까

열을 받아 일을 하는 장치를 열기관이라고 합니다. 자동차 엔진, 증기 터빈이 그렇습니다. 열기관은 뜨거운 곳에서 열 $Q_{1}$ 을 받아 일 $W$ 를 하고, 남은 열 $Q_{2}$ 를 찬 곳으로 버립니다.

$Q_{2}$ 가 0 이면 효율은 1, 곧 100 % 입니다. 받은 열이 남김없이 일이 되는 셈이죠. 그런데 그런 기관은 만들 수 없습니다. 열은 뜨거운 쪽에서 찬 쪽으로 흐르면서 일을 하는데, 버릴 찬 곳이 없으면 애초에 흐르지 않기 때문입니다. 자동차의 냉각 장치와 발전소의 냉각탑은 고장 난 부분이 아니라 반드시 있어야 하는 버리는 곳입니다.

여기서 에너지 전환의 방향이 드러납니다. 일은 마찰만 있으면 얼마든지 전부 열이 됩니다. 그런데 거꾸로 열을 전부 일로 되돌리는 길은 없습니다. 브레이크를 밟아 뜨거워진 바퀴가 저절로 식으면서 차를 다시 굴리는 일은 일어나지 않습니다. 중력장 내의 운동에서 본 것처럼 역학적 에너지는 서로 말끔히 오가지만, 열이 끼면 한쪽으로만 흐릅니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 전환 사슬 쓰기. 수력 발전은 위치 → 운동 → 전기, 태양 전지는 빛 → 전기입니다.
• 효율 계산. 유용한 에너지를 공급한 에너지로 나누고 100 을 곱합니다.
• 열기관에서 $W = Q_{1} - Q_{2}$ 로 한 일 구하기. 그다음 $W$ 를 $Q_{1}$ 로 나눠 열효율을 냅니다.
• 손실 에너지의 행방 묻기. 사라진 것이 아니라 열로 흩어졌다고 답합니다.
• 두 기구의 효율 비교. 같은 일을 하면서 공급 에너지가 적은 쪽이 효율이 높습니다.

자주 헷갈리는 것

• "손실된 에너지는 없어진다" — 없어지지 않습니다. 열이 되어 흩어졌을 뿐이고, 총량은 그대로입니다.
• "잘 만들면 효율 100 % 인 열기관도 가능하다" — 불가능합니다. 버릴 찬 곳이 없으면 열이 흐르지 못합니다.
• "열은 언제나 손실이다" — 하려던 일이 난방이라면 열이 유용한 에너지입니다. 유용한지 아닌지는 목적이 정합니다.
• "에너지 보존 법칙과 에너지 절약은 서로 모순이다" — 보존되는 것은 총량이고, 줄어드는 것은 쓸모 있는 형태의 몫입니다.

정리합니다. 에너지는 전환될 뿐 사라지지 않고, 전환마다 일부가 열로 흩어져 쓸모 있는 몫이 줄어듭니다. 그 몫의 비율이 효율입니다. 열기관은 받은 열의 일부만 일로 바꾸고 나머지를 반드시 버려야 하므로 효율이 100 % 가 될 수 없고, 그래서 에너지 전환에는 되돌릴 수 없는 방향이 생깁니다.