1. Joule's experiment

영국의 물리학자인 줄은 1840년부터 10년 동안 지하실에서 일과 열의 관계를 규명하는 실험을 했다. 교반에 의해 단위질량 당 유체온도를 1도씨 높이는데 일정량의 일이 필요하다는 것을 규명했다. 따라서 일과 열 사이에는 정량적 관계가 있고 일도 에너지의 한 형태라는 사실을 증명했다.

 

단열을 완벽하게 한 다음, 내부에 물을 넣고, 교반기를 설치해 추를 자유낙하 시키면 추의 위치에너지가 변환되고 교반기를 회전시켜서 물을 교반하는 일과 교반기와 물과의 마찰열로 인한 온도의 상승으로 두 가지 형태로 에너지가 전환된다. 교반기가 물에 한 일을 정확히 측정하고, 교반되는 물의 온도 변화를 관찰했다. 일과 열 사이에 정량적인 관계가 존재하며, 따라서 열도 에너지의 한 형태라는 것을 발견했다. 추의 위치에너지의 변화는 회전하는 일로 바뀌고 교반기가 회전하면서 물을 교반하는 일과 마찰열로 전환되었다

 

줄의 실험에서 물 속에서 교반기에 의한 마찰열이 발생하고 물의 온도가 올라가게 되는데 물 속에서 에너지가 한 형태로 있었고, 이 형태의 에너지를 내부에너지라고 하자. 에너지가 물 내부에 포함된다고 믿기 시작했다. 물질을 구성하고 있는 분자들은 끊임없이 운동을 한다. 분자들이 하는 운동은 이동, 회전, 병진 세 가지의 운동을 한다. 물 내부에 에너지가 있다는 사실을 줄의 사실을 통해 밝혀진 것이다. 줄의 실험에 의해 에너지가 물의 내부에 포함되어 있구나를 발견하게 된 것이다. 따라서 한 물질에 열을 가하면 분자의 활동도가 증가하고, 내부 에너지가 증가한다는 것을 알게 되었다. Internal energy는 절댓값을 구할 수 없으며 변화량만을 구할 수 있다. 상대적인 값만을 알 수 있다. 총에너지는 내부에너지와 외부에너지의 합이다. 물질을 이루고 있는 분자내의 에너지와 물질 전체가 움직일 때의 에너지를 합해서 총에너지라고 한다.