안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
내부 에너지는 기체나 물체 속 분자들이 가진 운동 에너지와 분자 사이 위치 에너지를 모두 더한 값이에요. 이 값이 바뀌려면 바깥에서 에너지가 들어오거나 나가야 하는데, 들고 나는 통로는 열과 일밖에 없어요. 열은 온도 차이로 분자끼리 부딪히며 에너지가 옮겨 가는 것이고, 일은 피스톤을 미는 것처럼 힘이 물체를 움직이며 에너지를 넘겨주는 거예요. 그래서 들어온 열과 받은 일을 더한 만큼만 내부 에너지가 늘어난다는 식은 통장 잔고가 입금액만큼만 늘어나는 것과 비슷해요. 어디서 갑자기 에너지가 생겨나거나 사라지는 항이 식에 없으니 이 자체가 에너지 보존을 열이 끼어 있는 상황에 맞춰 적은 거예요.
이 법칙이 성립하려면 열도 에너지의 한 형태라는 게 먼저 확인돼야 했어요. 19세기에 줄은 추를 떨어뜨려 물속 날개를 돌리는 실험으로 일을 한 만큼 물 온도가 올라가고, 같은 온도 상승을 불로 데워도 얻을 수 있다는 걸 보였어요. 이때부터 열과 일을 같은 저울에 올려 계산하게 됐어요.
1918년 수학자 뇌터는 물리 법칙이 어제와 오늘, 내일 똑같이 적용되기만 하면 에너지가 반드시 보존된다는 걸 수학적으로 증명했어요. 시간이 흘러도 법칙이 바뀌지 않으니 에너지가 새로 생길 틈이 없어요 :)