추운 날씨에 즐기는 핫초코의 따뜻함은 분자의 미세한 진동 에너지에서 비롯됩니다. 우리 삶은 이처럼 다양한 형태의 에너지에 둘러싸여 있지만, 정작 에너지가 무엇인지 정의하기란 쉽지 않습니다. 흥미로운 사실은 '에너지'라는 개념이 정립된 지 약 160년 정도밖에 되지 않았다는 점입니다. 19세기 중반 이전까지 에너지는 '힘'이라는 개념과 명확히 구분되지 않았으며, 당시 사람들은 열의 작용을 '칼로릭'이라는 특별한 원소의 이동으로 이해했습니다. 이는 인류가 자연의 힘을 체계적으로 파악하기 시작한 중요한 전환점이었습니다.

화학 혁명의 선구자 라부아지에는 물질의 차갑고 뜨거운 상태가 '칼로릭'이라는 눈에 보이지 않는 원소 때문이라고 보았습니다. 그는 칼로릭이 물질에 많이 붙을수록 온도가 올라가고 상태가 변화한다고 믿었습니다. 비록 그는 정치적 격변기에 단두대에서 생을 마감하는 비극을 겪었지만, 그가 제시한 열의 실체에 대한 고민은 후대 과학자들에게 큰 영감을 주었습니다. 특히 스코틀랜드의 윌리엄 컬린과 조셉 블랙은 칼로릭의 성질을 깊이 연구했고, 이러한 기초 과학의 성과는 기술자 제임스 와트가 증기기관을 획기적으로 개량하는 밑거름이 되었습니다.

제임스 와트의 증기기관은 열을 이용해 인위적으로 운동을 만들어내는 시대를 열었습니다. 증기 동력이 인간의 노동을 대체하면서 산업혁명이 도래했고, 대량 생산과 기계 문명의 발달이 가속화되었습니다. 이 시기 기술자들의 최대 관심사는 적은 연료로 얼마나 많은 일을 할 수 있는가, 즉 '효율'에 집중되었습니다. 일부는 한 번의 동력으로 영원히 일하는 '영구기관'을 꿈기도 했지만, 당시 과학계는 투입된 힘보다 더 많은 힘을 얻는 것이 불가능하다는 직관적인 결론에 도달하고 있었습니다.

떨어지는 물에 의해 만들어지는 수차의 동력이 떨어지는 물보다 더 많은 물을 다시 끌어올릴 수 있다면, 그 기관은 영원히 멈추지 않고 일을 할 수 있을 것입니다.

프랑스의 사디 카르노는 열기관의 본질적인 작동 원리를 파헤쳐 최대 효율을 뽑아낼 수 있는 '카르노 기관'을 고안했습니다. 그는 칼로릭이 고온에서 저온으로 이동하는 과정에서 동력이 발생하며, 수증기는 단지 이 칼로릭을 운반하는 매개체일 뿐이라고 분석했습니다. 카르노는 칼로릭 자체는 소모되지 않고 이동하며 일을 수행한다고 믿었으며, 이러한 공학적 통찰은 민중의 번영을 바라는 그의 신념과 맞닿아 있었습니다. 비록 발표 당시에는 큰 주목을 받지 못했으나, 그의 이론은 훗날 열역학의 근간을 이루는 중요한 토대가 되었습니다.

19세기에는 열뿐만 아니라 전기와 자기 또한 동력으로 바뀔 수 있다는 사실이 잇따라 발견되었습니다. 외르스테드는 전류가 나침반을 움직이는 것을 관찰했고, 패러데이는 전자기력을 이용해 동력을 만드는 데 성공했습니다. 이러한 발견들은 서로 다른 형태의 '힘'이 상호 전환될 수 있다는 패러다임을 형성했습니다. 결국 에너지는 무언가를 운동하게 하고 일을 만들어내는 근원적인 존재임이 드러났습니다. 에너지가 전환 과정에서 소모되는지, 아니면 우주 전체에서 보존되는지에 대한 탐구는 현대 물리학의 거대한 법칙으로 이어집니다.