우리는 과학에서 무엇을 배우는가
자녀와 부모를 위한 홈스쿨링
중고등학교에서는 과학의 네 가지 분야를 배웁니다. 물리, 지구과학, 화학, 생물입니다. 이 네 과목을 공통으로 연결하는 무엇이 있습니다. 그 무엇이 무엇인지 아는 것, 이것이 바로 중고등 과학의 목표입니다. 그것이 무엇이냐?
‘에너지’입니다. 즉, 과학은 ‘에너지’를 배우는 것입니다.
What is Energy?
에너지란 일을 할 수 있는 능력입니다.
그런데 ‘일’이라는 단어도 애매하고, ‘할 수 있다’는 표현도 애매합니다. 에너지는 고대 그리스어인 ‘에네르게이아’에서 따온 말입니다. 이 단어는 ‘활동Activity’이라는 뜻을 갖고 있습니다. 활동이란 무엇일까요? 생명이라면 살아가는 능력입니다. 무생물이라면 변화하는 능력입니다. 결국 중고등 과학은 에너지를 활동력을 배우는 과정입니다.
과학은 기호와 숫자와 관계를 이용해서 그 에너지를 명확하게 나타냅니다. 다만, 물리, 생물, 지구과학, 화학에서 그 표현방법이 각각 다릅니다. 즉, 과학의 네 가지 분야에서 우리는 각각 에너지를 ‘표현하는 방법’을 배웁니다. 이것이 학교 교육의 암묵적인 목표입니다.
에너지의 기본 단위는 줄(Joule: J)입니다.
물리분야에서는 이걸 ‘일(Work: W)’이라고 하고, 질량(kg), 거리(m), 시간(s), 속도(m/s), 가속도(m/s2), 다섯 가지 개념을 이용해서 배웁니다. 이건 나중에 하나씩 설명합니다.
어쨌든 에너지(J)는 다음 수식에 의해 계산되고, 이를 물리분야에서 배웁니다. 시간(s)과 공간(m)의 기초 개념을 고려합니다.
시간과 공간 개념을 고려하지 않는 에너지는 없을까요? 있습니다. ‘온도’입니다. 열은 에너지입니다. 1그램의 물의 온도를 섭씨 1도 올리는 데 필요한 에너지를 ‘칼로리’(cal)라고 말합니다. 칼로리는 너무 작기 때문에 일반적으로는 킬로칼로리(kcal)를 사용합니다. 칼로리의 1000배입니다.
주울도 에너지이고 칼로리도 에너지라면 서로 비교할 수 있을까요? 네 비교할 수 있습니다. 아래와 같습니다.
1kcal = 4.184kJ
전기에너지도 배웁니다. 전력량(Wh: 와트시)이 에너지입니다. 이것은 주울과 비교하면 다음과 같습니다.
1Wh = 3.6kJ
1kcal = 1.162Wh = 0.001162kWh
1kWh의 전기를 사용하면 대략 200원의 전기요금을 냅니다.
우리가 2000kcal의 에너지를 갖는 음식물을 섭취한다고 가정해 보지요(소식하는 겁니다) 그걸 주울로 표시하면, 8,368kJ(8.368x106J)이 나옵니다. 이게 어느 정도 크기인지 애매하지요.
이걸 다시 kWh로 바꾸면 2.324kWh입니다.
약 500원 정도의 전기요금을 낼 정도의 에너지입니다. 4인 가족이라면 2000원 정도의 전기요금분의 에너지입니다. 한 달이라면, 6만 원 전기요금과 같은 에너지를 4인 가족이 섭취하는 겁니다. 대체로 우리집 전기요금은 6만 원보다 낮습니다. 우리가 음식물을 통해 얻는 에너지는, 한 달 동안 집안의 모든 전기제품에 사용되는 전기 에너지의 요금보다 더 크다는 얘기입니다.
음식물 섭취로부터 에너지를 얻는다는 게
이렇게나 엄청난 일입니다.
그러므로 탐구하지 않을 수가 없습니다. 식물이 햇빛으로부터 에너지를 얻는 것을 ‘광합성’이라고 하며, 인간과 동물이 음식물 섭취로부터 에너지를 얻는 것을 ‘소화’라 합니다. 생명체는 에너지를 이용해서 생명활동을 합니다. 이처럼 생명체의 에너지의 획득과 사용에 관해서는 생물분야에서 배웁니다.
지구에 존재하는 생명체들은 어디에서 에너지를 얻을까요? 거의 대부분 태양에서 얻습니다. 태양 에너지가 없다면 지구 생명체는 멸종을 피할 수 없습니다. 태양에 엄청난 에너지가 있기 때문입니다. 또한 지구 자체도 아주 큰 에너지덩어리입니다. 이처럼 태양 에너지가 지구에 도착해서 일으키는 다양한 현상과, 지구에서 벌어지는 대규모 에너지 활동과, 태양보다 훨씬 큰 에너지를 갖는 우주에 대한 공부를 지구과학 분야에서 합니다. 지구과학을 공부하려면 우리는 아주 먼 곳을 바라보는 망원경이 필요하고, 그 망원경이 관찰한 현상을 공부해야 합니다.
마지막으로 화학분야입니다.
빛은 어디에서 나옵니까?
태양이요?
정답은 아닙니다.
빛은 원자 단위에서 나옵니다. 원자와 분자 단위의 물질의 가작 작은 곳에서 일어나는 반응에서 빛이 생성되는 겁니다. 태양이 빛을 많이 뿜어대는 까닭은 태양에 존재하는 원자/분자 단위의 반응이 너무나 활발하고 너무나 대규모이기 때문입니다. 최초의 에너지는 결국 물질과 물질 사이의 반응에서 생겨납니다. 화학분야에서 우리는 최초의 에너지를 배웁니다.
이처럼 물리, 생물, 지구과학, 화학을 연결하는 하나의 키워드를 알아냈으니, 그것이 바로 에너지입니다. 과학은 에너지를 배우는 것입니다.
그런데 우리 인간은 어떤 관계를 맺고 어떤 활동을 할 때마다 우리 인류는 집단적인 에너지를 사용합니다. 우리 인류가 그 에너지를 어떻게 사용했는지, 또 어떻게 잘 사용할 것인가를 주제로 공부하는 분야가 있습니다. 그런 교과목을 역사, 도덕, 사회 등에서 배웁니다.
이상의 내용을 영상으로
다시 정리해 봤어요.
