#11. 전력과 전력량 - 파워(Power)와 에너지(Energy)

여러분은 파워와 에너지를 구분할 수 있는가?

 

실생활에서 전력이라는 개념은 아래와 같은 케이스에서 흔히 접할 수 있다.

 

1. 도시락을 데울 때 700와트짜리 전자레인지에서는 2분을 돌리고 1000와트에서는 1분 30초를 돌리라나 뭐라나.

2. 전기요금표를 보면 몇백 킬로와트를 써서 누진세를 내게 생겼네 어쩌네.

 

방금 말한 두 사례 중, 하나는 표현이 잘못되었다.

사람들이 흔히 착각하는 개념인 전력과 전력량에 대한 구분이 이루어지지 않아서이다.

 

딱 3분만 나에게 달라.

 

전력과 전력량에 대해 확실히 구분시켜주겠다.

 

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전력 (Power)

전력이란 시간당 에너지 소비량을 뜻하며 와트(Watt, W)라는 단위를 사용한다.

여기까지는 고교 물리학 내용에서도 알 수 있는 내용이지만, 전력의 전기적 의미에 대해 조금 더 살펴보도록 하겠다.

 

전기/전자적 현상은 전하의 이동을 원천으로 발생한다 하였다.

그리고 이 전하를 이동시킬 수 있는 잠재적 힘을 전기적 에너지라고 명명하며, 시간당 전달되는 에너지의 양이 전력이라고 이해하면 된다.

#1. 회로이론 3분 만에 입문하기 - 전하 / 전류 / 전압 / 저항 / 옴의 법칙

 

그렇다면 앞서 배운 지표 중 전류의 물리적 의미는 시간당 전하 전달량을 의미하였는데 이것이 곧 전력이 되는 것일까?

 

조금 더 추가해야하는 부분이 있다.

예를 들어 전기적 퍼텐셜이 1V인 상태에서 시간당 전하 1C을 전달받아 1A의 전류가 흐르는 상황과 전압이 2V인 상태에서 1A의 전류가 흐르는 상황을 각각 떠올려보자.

더 높은 퍼텐셜에서 같은 전류를 전달하는 것이 상식적으로 더 큰 에너지를 요함을 알 수 있다.

따라서 전기적인 힘, 전력 Power는 전압과 전류를 모두 고려하여 연산되어야하고 일반적으로 아래와 같이 표현할 수 있다.

전력 공식 1

 

DC전압원과 같이 일정한 전압을 공급하는 소자가 저항에 연결될 경우, 상수값의 전류가 흐르므로 위 전력 공식을 사용하면 된다.

 

다만 교류 또는 시간에 따라 흐르는 전압/전류가 바뀌는 상황에서는 시시각각 소모되는 전력이 바뀔 것이다.

이때는 평균 전력을 계산하는 것이 더 명확한 지표가 된다.

 

특정 시간동안의 평균 전력을 구하는 공식은 다음과 같다.

전력 공식 2

 

참고로 전력의 단위 1W가 의미하는 바는 1J의 일을 1초 동안 할 때의 전력=일률을 뜻한다.

다르게 표현하면 1V의 퍼텐셜에서 1A를 공급할 때의 양을 뜻하기도 한다.

전력의 단위 변환

 

일 = 에너지, 전력 = 시간당 소모 에너지 = 시간당 일의 양 = 일률로 연상하면 이해하기 쉽다.

 

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실생활에서 흔히 접할 수 있는 전력 사용 예시가 전자레인지이다.

도시락을 전자레인지에 돌릴 땐 700W에서는 2분, 1000W에서는 1분 30초를 돌리라고 나와있는 것을 본 경험이 있을 것이다.

상대적으로 시간당 공급하는 에너지가 많은 1000W에서는 적은 가동 시간으로 같은 가열 성능을 보이는 것이다.

전자레인지에서는 제품에 따른 조리 특성상 동작 시간을 예상할 수 없으므로, 시간당 에너지 전달 지표인 전력을 통해 세기를 유추한다.

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전력량 (Electrical Energy)

전력을 이해했다면 전력량은 훨씬 더 쉬운 개념이다.

전력이 시간당 에너지 소비량이라고 한다면, 전력량은 단순히 에너지의 총량이다.

특정 전기적 반응이 전하/전자의 이동에 의해 발생한다할 때, 시간을 고려하지 않은 소모/생성된 에너지의 총 합이 전력량으로 표현되는 것이다.

따라서 단순히 전력에 시간을 곱한 것이 전력량이 되므로 아래와 같이 쓸 수 있다.

※ 빨간 식에서 W는 와트가 아닌 기호이다. 일(Work, 에너지)의 앞글자를 땄다.

전력량 공식 1

 

시간에 따라 전압/전류량이 변해 전력 역시 변한다면 아래 식을 사용하여 총 전력량을 구할 수도 있다.

전력량 공식 2

 

전력량의 단위는 전력(단위 : 와트)이 특정 시간(단위 : 초/시)동안 공급된 것이기 때문에 합쳐서 와트시(Wh)를 사용한다.

시(Hour)가 아닌 초(Second)로 계산된다면 Ws로 표현이 가능하며, 에너지의 단위인 J(줄)과 함께 정리하자면 아래와 같이 단위 변환이 가능하다.

전력량의 단위 변환

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보조배터리를 떠올려보면 실생활에서 쉽게 전력량의 개념을 접할 수 있다.

보통 보조배터리 광고 시 배터리의 용량을 mAh(밀리 암페어시) 단위로 많이 표현한다.

5000 mAh니 10000 mAh니~

 

5000 mAh라는 지표는 5000 mA (= 5 A)로 한 시간 동안 충전시 완충된다는 용량의 개념으로 쓰인다.

시중에서 많이 사용되는 리튬-이온, 리튬-폴리머 배터리의 경우 충전 전압이 3.7 V이므로,

해당 배터리는 3.7 V × 5 A = 18.5 Wh만큼의 전력량(에너지)를 저장할 수 있다는 말이다.

 

이 에너지를 스마트폰으로 전달하며 스마트폰 배터리가 충전되는 과정을 우리는 매일 경험하고 있다.

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상기 내용을 이해하여 전력과 전력량의 개념을 이해했다면 글의 서두에 두 사례를 다시 한번 살펴보아라.

무엇이 잘못되었는지 바로 눈에 들어올 것이다.

 

찾았는가?

 

'2. 전기요금표를 보면 몇백 킬로와트를 써서 누진세를 내게 생겼네 어쩌네.'

 

전기요금은 시간당 에너지 소비량 전력이 아닌 총 에너지 소비량 전력량으로 요금을 명시한다.

따라서 전력요금표에는 전력의 단위인 킬로와트(kW)가 아닌 전력량의 단위인 킬로와트시(kWh)로 사용량이 나타나 있을 것이다.

 

여기까지 이해된다면 당신을 Power와 Energy 구분의 대가로 인정하겠도다~

 

단기간 에너지를 열정적으로 소비하는 Powerful한 사람과 에너지 총량이 많은 Energetic한 사람.

 

나는 둘 다 되고 싶구만 허허.