4장: 에너지, 화학, 그리고 사회

4 장 : 에너지, 화학, 그리고사회 그리고사회 에너지 ( 열과일, 보존과소멸, 근원 ) 활성화에너지석탄석유산소로처리된가솔린대체연료변환과효율, 질서와엔트로피 4-1 Oil Production Gasoline, automobiles and the US lifestyle are bound to each other. Gasoline has been extracted from petroleum since the mid 1800s. In 1998, almost 120 billion gallons of gas were burned in more than 200 million American cars. By the 1970s, the US was producing less than half of the crude oil it required. The Persian Gulf has been the world s major petroleum producer for more than 5 decades. 4-2 US Oil Production and Imports Global Oil Production Figure 4.1a 4-3 Figure 4.1b 4-4 에너지란? 생명활동의근원, 모든활동, 동력의원천 에너지단위 줄 (Joule) : J = kg (m m)/(s s) 에너지 일하는능력 (the capacity to do work). 일 (Work) 억제하는힘에대하여움직임이일어날때필요한에너지 : 일 = 힘 x 움직인거리 열 (Heat) 온도차에의해전달되는에너지 ; 더운것에서찬것으로흐르는에너지 : 열용량 x 온도차 온도 (Temperature) 열이흐르는방향을결정하는 cal (calorie) - 1g의물을 1 ºC(1기압 ) 올리는데필요한에너지. Cal는 kcal. 1 cal = 4.184 J [ 예제 4.2] 1. 도너스하나의섭취량 ; 425 kcal kj로환산 ; 425 4.184 = 1780 kj 2. 위에너지로 2 m 높이선반까지올릴수있는 1.3 kg정도의책의수는? 1책당 ; 1.3 kg 9.8 m/(s s) 2 m = 25.5 J 책의수 : 1780 1000 J/25.5 J = 70000( 권 ) 성질, 분자들의평균운동에너지 ( 병진, 회전, 진동 ). 4-5 4-6

에너지보존과소비 에너지는소모되는것이아니다. 1 st Law of Thermodynamics, 에너지보존의법칙 : 에너지는창조되지도않고파괴되지도않는다. - 변형될수는있지만우주의에너지는일정하다. 석탄, 석유, 천연가스같은에너지원은소비된다. 에너지소모변천 : 인간 (2000) 동물사용 (12,000) 산업혁명 (60,000) 현재 (650,000) 4-7 보존 : 보다적은에너지를사용하여에너지부족을해결하는방안. 보존방법 : 실내의효율적인냉난방을위한절연과보다효율적인설비사용과운송수단. 재활용도보존에포함된다. 왜냐면물질을다시만드는데보다적은에너지가사용되므로. 에너지원의변화는증가하는에너지소모와깊은연관성을가진다. 나무는 1890년경까지미국의원래의주에너지원. 석탄은그다음 1940년까지 50% 이상을차지하였다. 4-8 석유와가스는 1950까지에너지원의반이상. 석유확보의국제간경쟁 ( 전쟁?) - 2 차대전, 1,2 차 oil-shock, 이란 - 이라크전, 이라크 - 미국전, 체첸내전, 911 테러 Annual per capita Energy Consumption 낙하물은오랫동안제분소의동력과전기발전에이용돼왔지만전체에너지의작은 % 에불과. 핵분열 (Nuclear Fission) 은여러사유로충분한가치를인정받지못하였음. 지구열, 바람, 태양은현에너지산출에아주적은양. 4-9 Figure 4.3 4-10 US Energy Consumption US and World Energy Consumption Figure 4.4 4-11 Figure 4.5 4-12

Energy: Where From and How Much? 대부분의공통적인에너지발생은화학반응을수반 태움 (burning) or 연소 (combustion) combustion). - 연소는연료와산소와반응하는것. - 에너지차는주로열로방출된다. CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) + Energy C n H 2n+2 (g) + (2n+1) O 2 (g) nco 2 (g) + (n+1) H 2 O(g) + Energy 4-13 Energy: Where From and How Much? 연소열 충분한산소에서일정량 ( 몰, mole) 의물질이탈때방출하는열의양 - 양의값으로 kj/mol 혹은 kcal/mol 로표시. 발열반응 (Exothermic) 에너지를방출하는화학적이거나물리적변화. 흡열반응 (Endothermic) 에너지를흡수하는화학적이거나물리적변화. 4-14 An Exothermic Reaction 흡열대발열 반응은원자들의재배열. - 결합의깨짐과결합의결성. - 결합의깨짐은흡열. - 결합의결성은발열. 흡열발열 E (products) > E (reactants) E (products) < E (reactants) (+) 에너지변화 (-) 에너지변화 Figure 4.7 4-15 에너지의손실에너지의얻음 4-16 활성화에너지 (Activation Energy) Activation Energy Diagram 두물질이발열반응을일으킨다고해서그들이접촉을해서쉽게반응이일어난다는보장은? 활성화에너지 반응을일으키는데필요한에너지. 반응을시작하는데에너지를소비해야되지만, 반응이진행되면서더많은풍족한에너지가방출된다. 일반적으로빠른반응은낮은활성화에너지를가지며, 느린반응은높은활성화에너지를가짐. 4-17 Figure 4.10 4-18

화석연료 (Fossil Fuels) 화석연료는수백만전생물체의변환 ( 부식, decay) 으로비롯된것으로우리가필요로하는에너지의대부분 ( 미, 80%) 를차지. Fossil Fuels The reaction is the same one that is carried out by plants today: 엽록소 2800 kj + 6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 에너지생성에이용되는화석연료 : 천연가스 ; 70-80% 메탄 (CH 4 ). 액체탄화수소 - 원유의정유를통해얻어짐 석탄 - H/C 비율이 1정도인큰분자의고체혼합물. 4-19 - endothermic, requires 2800 kj of sunlight. - in our bodies, we run the above reaction backwards. 4-20 화석연료의문제점 석탄 : 검은황금 화석연료는재회복시킬수없는 (nonrenewable) 자원임 예상되는소비율에의하면, 천연가스와석유는 21 세기말전에바닥이난다고함. 화석연료에서나오는불순물은오염의주원인임. 화석연료를태워발생하는많은양의 CO 2 는지구의온난화에일조하고있음. 4-21 석탄은많은형으로존재함. 따라서한화학식으로쓸수없음. 근사적인화학식은 : C 135 H 96 O 9 NS 석탄은나무보다는좋은에너지원임 ; g 당더많은에너지를내놓음. - 1 gram of coal releases 30 kj - 1 gram of wood releases 10 14 kj - Coal contains a higher % of carbon and a lower % of oxygen and water. 4-22 Coal C, H, O, 과 N 원자들은원래의식물물질에서왔고, 추가로다른금속들의작은양이가해졌음. 석탄화 : A식물이죽은후화학적인변환 (decay) 을거처이탄 (peat) 이라고알려진것이되었다. 오랜세월동안두꺼운층의이탄이형성되고이탄은고온, 고압이수반되는지각변동같은지질적인사건으로석탄이되었음. 4-23 Ranks of Coal 무연탄 (Anthracite; hard coal) - the most mature and highest ranking, exposed to the highest pressures in the Earth. It has an energy content of about 14,000 Btu / lb. 역청탄 (Bituminous; soft coal) - Has an energy content about 10,500 Btu / lb. 부역청탄 (Subbituminous) - lower ranked in terms of energy content. 갈탄 (Lignite) - brown coal - lowest energy coal, only slightly greater than wood. 4-24

Main Coal Deposits 석탄에서유황 석탄을태우면유황은주로이산화유황 (sulfur dioxide), SO 2, 로나오는데이는심각한오염물질임. 석탄은더러운연료로서 NO x and CO 2 같은오염물질도내놓는다. Bituminous Subbituminous Lignite Anthracite 4-25 Coal Cleaning - Methods of removing sulfur from coal include cleaning, solvent refining, gasification, and liquefaction. Scrubbers are used to trap SO 2 when coal is burned. Two chief forms of sulfur is inorganic (FeS 2 or CaSO 4 ) and organic (Sulfur bound to Carbon). 4-26 석유 (Petroleum): 석유 ): 검은액체황금 석유 (Petroleum): 석유 ): 검은액체황금 1950 년경, 미국에서에너지주원으로써석유가석탄을추월. - 액체상태인편리함. - 더농축된에너지원 ; g 당 40 60 % 더많은에너지배출. 초창기사용의장애요인. - 원유의바로사용은곤란 ; 반드시정제되어야함. 석유는수천가지다른화합물로된복잡한혼합물. 4-27 화합물들의거의대부분은탄화수소로되어있음, 즉오직탄소와수소로이루워짐. 유황과다른불순요소는일반적으로아주적음.. 정유과정에서, 원유는개별적인화합물로분리, 즉유사한성질들을가지는화합물로분별된것으로나누워짐. 이분별은증류에의해수행됨. 4-28 분별증류탑 (Fractional Distillation Tower) 석유생산품 Figure 4.12 4-29 원유에서증류된각종분별은각기다른용도를가짐. 가장낮은끓는성분은기체로 LPG로사용. 가솔린분별 (5 to 12 C) 은자동차문명화에중요. 등유분별은다소높은끓는점을가지며디젤엔진과제트여객기연료로사용. 그보다높은끓는분별 ( 방카시유 ) 은난로의연료와윤활제기름으로사용. Plastics 를포함하는수많은화학제품의원료가됨. 4-30

Petroleum Products 천연가스 (Natural Gas), LNG 42 gallons 이연료의대부분은메탄, CH 4. 근래미국에서아파트빌딩이나개인가정집연료의 2/3 차지. 에너지원으로써천연가스의사용증가 ; 전기발전과중장비차나트럭의연료. Figure 4.13 4-31 천연가스의장점은훨씬더완전히타고깨끗하다는점. 즉석유보다 30% 이하의 CO 2 를, 석탄보다 43 % 이하의 CO 2 를배출. 4-32 가솔린 (Gasoline) 개량된가솔린 옥탄가 (Octane Ratings) - 보다좋은점화와노킹방지의기준, 이소옥탄을 100으로, 1920년경부터옥탄가증가제로오랫동안납성분첨가제를사용. 1986부터사용금지. 옥탄가에영향을주는연료분자들. 보다적은탄소수, 가지친것, 고리구조. 탄화수소 : 수많은기하이성질체 : [ 예 ] 옥탄 (C8H18)) - 18 개의이성질체. 납첨가제금지 : 1. 배기관의촉매의납중독방지. 2. 납의대기방출방지 ( 신경계통 ) 무연 (unlead 차엔진의마력 ( 힘 ) 을증가시키기위하여보다양질의가솔린 ( 고급휘발유 ) 이필요. 개량된가솔린 RFGs 메탄올 (methyl alcohol), 에탄올 (ethyl alcohol), 등산소를가지는화합물을일부함유하는가솔린 산소화가솔린. - 이미산소를함유한 RFG는더적은 CO 를배출하고더휘발적인탄화수소를보다낮은퍼센트를가져깨끗하게탄다. unlead) 4-33 4-34 대체물 : MTBE MTBE: methyl-tertiary-butyl ether H CH 3 H C O C CH 3 H CH 3 대체물 : Ethanol, CH 3 CH 2 OH 에탄올 - 자체로연료로사용될수도있고, 가솔린과혼합하여연료 ( 가소올, gasohol) 로이용될수있음. 가소올로가장이상적인것은 90% 의가솔린과 10 % 에탄올. Two common methods to produce ethanol: 1. Reaction of water (steam) with ethylene (C 2 H 4 ): CH 2 CH 2 + H 2 O CH 3 CH 2 OH 2. 옥수수같은곡식에서녹말을발효 : C 6 H 12 O 6 2 CH 3 CH 2 OH + 2 CO 2 Octane rating greater than 100. 4-35 장점 : 보다높은옥탄가. 단점 : 보다낮은에너지함량과물을흡수. 4-36

대체물 : 에탄올과생물가스 ( 메탄 ) 현세계에너지수요의 10% 만을에탄올로대체할경우 - 세계농지의 1/4 이식량생산을못한다고추정 (B. Gilland) - 쓰레기재활용 1. 고형쓰레기를태워전기발전을일으킴 ( 미, 미네소타 ) 2. 중국과인도의시골 : 동물의배설물과죽은식물을혼합하여생물가스를만들어요리, 난방, 조명, 발전 (100 만이상반응기 ) 3. 쓰레기소각 ; 원래부피의 1/10 로감소 4-37 에너지변환 현미국에서사용하는에너지의 1/3 는전기적인것 - 에너지변환과정을거쳐사용. 3 단계 : 1) 화석연료의화학결합에서위치에너지가열에너지로전환. 2) 연소에서배출된열은물을증기로기화화하는데흡수됨. 그다음이열은터빈을돌리는데사용되는기계에너지 ( 일에너지 ) 로변환됨. 3) 터빈은발전기를돌려서기계에너지를전기에너지로바꿈. 4-38 에너지변환 질서와엔트로피 (S) Figure 4.17 전기발전소에서에너지변환 에너지는전변환과정에서보존되지만효율은 1 보다작음 (< [ (Th-Tc)/Th ]). 열을완전히일로바꿀수없다.(2nd) 4-39 열역학제 2 법칙 ( 자발적방향제시 ): - 열을완전히일로바꿀수없다. - 저온에서고온으로일을안하고에너지를옮길수없다. - 우주는보다무질서한상태로변한다. - 우주는엔트로피가극대로증가한다. S = kb ln W S 우주 = S 계 + S 주위 4-40 보존 석유의세계의요구량은년 2% 이상씩증가. 과거 15 년동안에너지의사용은남미에서 30%, 아프리카에서 40%, 그리고아시아에서 50% 증가. 2020 가되면, 이는 400 억 barrels / year 가됨을의미. 현소비율로된다면전통적인석유비축은 34 년정도에끝이난다는계산. 이런에너지의증가되는사용결과는지구에서 CO 2 배출이 50% 증가를가져올것임. 4-41 보존 일단전기가발전되었다면, 상당한절약을사용을통해서실현될수있음. 75 w 전구를 10,000 시간지속적으로사용될수있는 18 w 형광전구로바꾼다면 : 석탄 350 kg로만들어지는전력을절약했고, 720 kg 의 CO 2 와 8 kg 의 SO 2 w가대기중에배출안될것임. 또한전기발전경비에 $100 를절약하게될것임. 보존의다른방법은운송에서 - 지구사용되는전에너지의 20% 이며석유생산량의 50% 이상이차에대중교통수단이상당히경제적 - 일본 47%, 미국단 6% 4-42