물질과 달리 에너지는 질량도 없고 손에 잡을 수도 없지만, 그 효과를 관찰하거나 측정할 수 있다. 에너지(energy)는 일을 하거나 열을 전달할 수 있는 능력이다. 이와 같은 정의를 이해하기 위해서는 일과 열의 개념을 알아야 한다. 일(work)은 힘에 반하여 물체를 움직이게 할 때 사용되는 에너지이며, 열(heat)은 물체의 온도를 높이는 데 사용되는 에너지이다. 이러한 정의를 자세히 공부하기 전에 물질이 에너지를 어떤 방법으로 가질 수 있는지, 또한 에너지가 한 물체에서 다른 물체로 어떻게 이동할 수 있는지를 먼저 살펴보자.
운동 에너지와 퍼텐셜 에너지
물체는 그것이 야구공이든 분자이든 움직임의 에너지, 즉 운동 에너지를 가질 수 있다. 물체의 운동 에너지 크기는 질량과 속도에 의존한다. 따라서 물체의 운동 에너지는 물체의 속도가 빨라짐에 따라 증가한다. 예를 들어 시간 당 55마일로 달리는 자동차는 25마일로 움직이는 자동차보다 더 큰 운동 에너지를 갖는다. 속도가 같을 때, 운동 에너지는 질량이 커짐에 따라 증가한다. 따라서 55마일로 움직이는 큰 트럭은 같은 속도로 움직이는 작은 승용차보다 더 큰 운동 에너지를 갖는데, 그 이유는 트럭의 질량이 더 크기 때문이다.
화학에서는 원자와 분자의 운동 에너지가 관심의 대상이다. 너무 작아서 볼 수 없다고 하더라도 이 입자들은 질량이 있으며 운동 중에 있으므로 운동 에너지를 갖고 있다. 다른 모든 종류의 에너지들, 예를 들어 펼쳐진 용수철에 저장된 에너지, 머리 위로 들어 올린 추에 저장된 에너지, 화학 결합에 저장된 에너지들은 퍼텐셜 에너지이다. 어떤 물체는 다른 물체에 대한 상대적 위치에 기초하여 퍼텐셜 에너지를 갖는다. 퍼텐셜 에너지는 본질적으로 저장된 에너지이며, 이는 어떤 물체와 다른 물체 사이에서 일어나는 인력과 반발력으로 발생한다.
퍼텐셜 에너지가 운동 에너지로 변하는 경우는 흔히 볼 수 있다. 예를 들어 언덕의 꼭대기에서 자전거를 타려고 하는 사람을 생각해 보자. 중력에 의한 인력 때문에 자전거를 탄 사람과 자전거의 퍼텐셜 에너지는 언덕 아래보다 언덕 위에서 더 크다. 그로 인하여 자전거는 속도가 증가하면서 언덕 아래로 내려간다. 내려올 때 퍼텐셜 에너지는 운동 에너지로 변한다. 퍼텐셜 에너지는 자전거가 언덕을 내려감에 따라 감소하지만, 속도가 빨라짐에 따라 운동 에너지는 증가한다. 이 예는 에너지의 형태가 서로 변환될 수 있다는 것을 설명해 준다.
원자들이나 분자들이 상호작용을 할 때 중력은 무시할 만하다. 원자와 분자를 다룰 때는 전하로부터 생기는 힘이 더 중요하다. 화학에서 가장 중요한 퍼텐셜 에너지 가운데 하나는 정전기 퍼텐셜 에너지이며, 이것은 전하를 띤 입자 사이의 상호작용에 의해 발생한다. 이 에너지는 상호작용하는 두 물체의 전하에 비례하고, 둘 사이의 거리에 반비례한다.
정전기 퍼텐셜 에너지가 0이 되면 전하를 띤 입자들이 무한대로 분리된다고 정의된다. 두 전하가 같은 부호를 띨 때 두 전하는 서로 반발하며, 이 반발력은 서로를 밀어내며 떨어지게 한다. 이 경우 에너지는 양의 값이고, 입자들이 멀어질수록 퍼텐셜 에너지는 감소한다. 두 전하가 반대 부호를 가질 경우 입자들은 서로 끌어당기며, 이 인력이 서로 가까이 잡아당긴다. 이 경우 에너지는 음의 값이고 입자들이 멀어질수록 퍼텐셜 에너지는 증가한다.
정전기 퍼텐셜 에너지의 이와 같은 경향은 나중에 보게 되겠지만, 화학에서 종종 이용된다.
화학에서 추구하는 목표 중 하나는 거시 세계에서 관측되는 에너지 변화를 분자 수준에서 물질의 운동 에너지나 퍼텐셜 에너지와 연관시키는 것이다. 연료와 같이 많은 물질들은 반응할 때 에너지를 방출한다. 이 연료의 화학 에너지는 원자들의 결합에 저장된 퍼텐셜 에너지에 기인한 것이다. 연료가 탈 때 화학 에너지는 온도와 관련된 열에너지로 변환된다. 열에너지가 증가하면 많은 분자 운동이 일어나고 결국 분자 수준에서 운동 에너지를 증가시키게 된다.
정전기 퍼텐셜 에너지
두 전하를 띤 입자들이 일정한 거리를 유지하고 있을 때, 전하들이 같은 부호이면 에너지는 양의 값을 가지며, 반대 부호이면 음의 값을 갖는다. 입자들이 움직여 더 멀리 떨어짐에 따라 정전기 퍼텐셜 에너지는 점점 0에 가까워진다.
