4 장: 에너지, 화학, 그리고 사회 에너지(열과 일, 보존과 소멸, 근원) 활성화 에너지 석탄 석유 산소로 처리된 가솔린 4 장: 에너지, 화학, 그리고 사회 에너지(열과 일, 보존과 소멸, 근원) 활성화 에너지 석탄 석유 산소로 처리된 가솔린 대체 연료 변환과 효율, 질서와 엔트로피

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.

US Oil Production and Imports Figure 4.1a

Global Oil Production Figure 4.1b

에너지 란? 생명 활동의 근원, 모든 활동, 동력의 원천 에너지 – 일하는 능력(the capacity to do work). 생명 활동의 근원, 모든 활동, 동력의 원천 에너지 – 일하는 능력(the capacity to do work). 일(Work) – 억제하는 힘에 대하여 움직임이 일어날 때 필요한 에너지 : 일 = 힘 x 움직인 거리 열(Heat) – 온도차에 의해 전달 되는 에너지; 더운 것에서 찬 것으로 흐르는 에너지: 열용량 x 온도차 온도(Temperature) – 열이 흐르는 방향을 결정하는 성질, 분자들의 평균 운동 에너지(병진, 회전, 진동).

에너지 단위 줄(Joule) : J = kg(m  m)/(ss) cal (calorie) - 1g의 물을 1 ºC(1기압) 올리는데 필요한 에너지. Cal는 kcal. 1 cal = 4.184 J [예제 4.2] 1. 도너스 하나의 섭취량; 425 kcal kJ로 환산; 4254.184 = 1780 kJ 2. 위 에너지로 2 m 높이 선반까지 올릴 수 있는 1.3 kg정도의 책의 수는? 1책 당 ; 1.3 kg  9.8 m/(ss)  2 m = 25.5 J 책의 수: 1780 1000 J/25.5 J = 70000(권)

에너지 보존과 소비 1st Law of Thermodynamics, 에너지는 소모되는 것이 아니다. 에너지 보존의 법칙: 에너지는 창조되지도 않고 파괴되지도 않는다. - 변형될 수는 있지만 우주의 에너지는 일정하다. 석탄, 석유, 천연 가스 같은 에너지원은 소비된다. 에너지 소모 변천: 인간(2000)  동물 사용(12,000)  산업 혁명(60,000)  현재(650,000)

보존: 보다 적은 에너지를 사용하여 에너지 부족을 해결하는 방안. 보존 방법: 실내의 효율적인 냉난방을 위한 절연과 보다 효율적인 설비 사용과 운송 수단. 재활용도 보존에 포함된다. 왜냐면 물질을 다시 만드는 데 보다 적은 에너지가 사용되므로. 에너지원의 변화는 증가하는 에너지 소모와 깊은 연관성을 가진다. 나무는 1890년경 까지 미국의 원래의 주 에너지 원. 석탄은 그 다음 1940년까지 50%이상을 차지하였다.

석유와 가스는 1950까지 에너지 원의 반 이상. 석유 확보의 국제간 경쟁(전쟁?) - 2차대전, 1,2차 oil-shock, 이란-이라크 전, 이라크-미국 전, 체첸 내전, 911 테러 낙하 물은 오랫동안 제분소의 동력과 전기 발전에 이용돼 왔지만 전체 에너지의 작은 %에 불과. 핵 분열(Nuclear Fission)은 여러 사유로 충분한 가치를 인정 받지 못하였음. 지구열, 바람, 태양은 현 에너지 산출에 아주 적은 양.

Annual per capita Energy Consumption Figure 4.3

US Energy Consumption Figure 4.4

US and World Energy Consumption Figure 4.5

Energy: Where From and How Much? 대부분의 공통적인 에너지 발생은 화학 반응을 수반  태움(burning) or 연소(combustion). - 연소는 연료와 산소와 반응하는 것. - 에너지 차는 주로 열로 방출된다. CH4(g) + 2 O2(g)  CO2(g) + 2 H2O(g) + Energy CnH2n+2(g) + (2n+1) O2(g)  nCO2(g) + (n+1) H2O(g) + Energy

Energy: Where From and How Much? 연소열 – 충분한 산소에서 일정량(몰, mole)의 물질이 탈 때 방출하는 열의 양 - 양의 값으로 kJ/mol 혹은 kcal/mol 로 표시. 발열 반응(Exothermic)  에너지를 방출하는 화학적이거나 물리적 변화. 흡열 반응(Endothermic) – 에너지를 흡수하는 화학적이거나 물리적 변화.

An Exothermic Reaction Figure 4.7

흡열 대 발열 반응은 원자들의 재배열. - 결합의 깨짐과 결합의 결성. - 결합의 깨짐은 흡열. - 결합의 결성은 발열. - 결합의 깨짐과 결합의 결성. - 결합의 깨짐은 흡열. - 결합의 결성은 발열. 흡열 발열 E(products) > E(reactants) E(products) < E(reactants) (+) 에너지 변화 (-) 에너지 변화 에너지의 손실 에너지의 얻음

활성화 에너지(Activation Energy) 두 물질이 발열반응을 일으킨다고 해서 그들이 접촉을 해서 쉽게 반응이 일어난다는 보장은 ? 활성화 에너지 – 반응을 일으키는 데 필요한 에너지. 반응을 시작하는데 에너지를 소비해야 되지만, 반응이 진행되면서 더 많은 풍족한 에너지가 방출된다. 일반적으로 빠른 반응은 낮은 활성화 에너지를 가지며, 느린 반응은 높은 활성화 에너지를 가짐.

Activation Energy Diagram Figure 4.10

화석 연료(Fossil Fuels) 천연가스; 70 - 80% 메탄 (CH4). 액체 탄화수소 - 원유의 정유를 통해 얻어짐 화석연료는 수백만전 생물체의 변환(부식, decay)으로 비롯된 것으로 우리가 필요로 하는 에너지의 대부분(미, 80%)를 차지. 에너지 생성에 이용되는 화석연료: 천연가스; 70 - 80% 메탄 (CH4). 액체 탄화수소 - 원유의 정유를 통해 얻어짐 석탄 - H/C 비율이 1정도인 큰 분자의 고체 혼합물.

Fossil Fuels The reaction is the same one that is carried out by plants today: 2800 kJ + 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 - endothermic, requires 2800 kJ of sunlight. - in our bodies, we run the above reaction backwards. 엽록소

화석연료의 문제점 화석연료는 재회복시킬 수 없는(nonrenewable) 자원임 예상되는 소비율에 의하면, 천연가스와 석유는 21세기 말 전에 바닥이 난다고 함. 화석연료에서 나오는 불순물은 오염의 주원인 임. 화석연료를 태워 발생하는 많은 양의 CO2는 지구의 온난화에 일조하고 있음.

석탄: 검은 황금 석탄은 많은 형으로 존재함. 따라서 한 화학식으로 쓸 수 없음. 근사적인 화학식은: C135H96O9NS 석탄: 검은 황금 석탄은 많은 형으로 존재함. 따라서 한 화학식으로 쓸 수 없음. 근사적인 화학식은: C135H96O9NS 석탄은 나무 보다는 좋은 에너지 원 임; g 당 더 많은 에너지를 내 놓음. - 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.

Coal C, H, O, 과 N 원자들은 원래의 식물 물질에서 왔고, 추가로 다른 금속들의 작은 양이 가해졌음. 석탄화: A식물이 죽은후 화학적인 변환(decay)을 거처 이탄(peat)이라고 알려진 것이 되었다. 오랜 세월동안 두꺼운 층의 이탄이 형성되고 이탄은 고온, 고압이 수반되는 지각변동 같은 지질적인 사건으로 석탄이 되었음.

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.

Main Coal Deposits Bituminous Anthracite Subbituminous Lignite

석탄에서 유황 석탄을 태우면 유황은 주로 이산화유황(sulfur dioxide), SO2, 로 나오는데 이는 심각한 오염물질임. 석탄은 더러운 연료로서 NOx and CO2 같은 오염물질도 내 놓는다. Coal Cleaning - Methods of removing sulfur from coal include cleaning, solvent refining, gasification, and liquefaction. Scrubbers are used to trap SO2 when coal is burned. Two chief forms of sulfur is inorganic (FeS2 or CaSO4) and organic (Sulfur bound to Carbon).

석유(Petroleum): 검은 액체 황금 1950년 경, 미국에서 에너지 주 원으로써 석유가 석탄을 추월. - 액체상태 인 편리함. - 더 농축된 에너지 원; g 당 40 – 60 % 더 많은 에너지 배출. 초창기 사용의 장애 요인. - 원유의 바로 사용은 곤란; 반드시 정제되어야 함. 석유는 수천가지 다른 화합물로 된 복잡한 혼합물.

석유(Petroleum): 검은 액체 황금 화합물들의 거의 대부분은 탄화수소로 되어 있음, 즉 오직 탄소와 수소로 이루워짐. 유황과 다른 불순 요소는 일반적으로 아주 적음.. 정유과정에서, 원유는 개별적인 화합물로 분리, 즉 유사한 성질들을 가지는 화합물로 분별된 것으로 나누워 짐. 이 분별은 증류에 의해 수행됨.

분별 증류탑(Fractional Distillation Tower) Figure 4.12

석유 생산품 원유에서 증류된 각종 분별은 각기 다른 용도를 가짐. 가장 낮은 끓는 성분은 기체로 LPG로 사용. 가솔린 분별(5 to 12 C)은 자동차 문명화에 중요. 등유 분별은 다소 높은 끓는점을 가지며 디젤엔진과 제트여객기 연료로 사용. 그 보다 높은 끓는 분별(방카시유)은 난로의 연료와 윤활제 기름으로 사용. Plastics를 포함하는 수많은 화학제품의 원료가 됨.

Petroleum Products 42 gallons Figure 4.13

천연가스(Natural Gas), LNG 이 연료의 대부분은 메탄, CH4. 근래 미국에서 아파트 빌딩이나 개인 가정집 연료의 2/3 차지. 에너지 원으로써 천연가스의 사용 증가; 전기 발전과 중장비 차나 트럭의 연료. 천연가스의 장점은 훨씬 더 완전히 타고 깨끗하다는 점. 즉 석유보다 30% 이하의 CO2를, 석탄보다 43 % 이하의 CO2 를 배출.

가솔린(Gasoline) 옥탄가(Octane Ratings) - 보다 좋은 점화와 노킹 방지의 기준, 이소옥탄을 100으로, 1920년경부터 옥탄가 증가제로 오랫동안 납성분 첨가제를 사용. 1986부터 사용금지. 옥탄가에 영향을 주는 연료 분자들. 보다 적은 탄소 수, 가지친 것, 고리구조. 탄화 수소: 수많은 기하이성질체: [예] 옥탄(C8H18) - 18 개의 이성질체. 납 첨가제 금지: 1. 배기관의 촉매의 납중독 방지. 2. 납의 대기 방출 방지(신경 계통)무연(unlead)

개량된 가솔린 차 엔진의 마력(힘)을 증가 시키기 위하여 보다 양질의 가솔린(고급 휘발유)이 필요. 개량된 가솔린 – RFGs – 메탄올(methyl alcohol), 에탄올(ethyl alcohol), 등 산소를 가지는 화합물을 일부 함유하는 가솔린 – 산소화 가솔린. - 이미 산소를 함유한 RFG는 더 적은 CO 를 배출하고 더 휘발적인 탄화수소를 보다 낮은 퍼센트를 가져 깨끗하게 탄다.

대체물: MTBE MTBE: methyl-tertiary-butyl ether H CH3 | | | | H – C – O – C – CH3 H CH3 Octane rating greater than 100.

대체물: Ethanol, CH3CH2OH Two common methods to produce ethanol: 에탄올 - 자체로 연료로 사용될 수도 있고, 가솔린과 혼합하여 연료(가소올, gasohol)로 이용될 수 있음. 가소올로 가장 이상적인 것은 90%의 가솔린과 10 % 에탄올. Two common methods to produce ethanol: 1. Reaction of water (steam) with ethylene (C2H4): CH2CH2 + H2O CH3CH2OH 2. 옥수수 같은 곡식에서 녹말을 발효: C6H12O6 2 CH3CH2OH + 2 CO2 장점: 보다 높은 옥탄가. 단점: 보다 낮은 에너지 함량과 물을 흡수.

대체물: 에탄올과 생물가스(메탄) 현 세계 에너지 수요의 10%만을 에탄올로 대체할 경우 - 세계 농지의 1/4이 식량생산을 못한다고 추정(B. Gilland) - 쓰레기 재활용 1. 고형 쓰레기를 태워 전기 발전을 일으킴(미, 미네소타) 2. 중국과 인도의 시골: 동물의 배설물과 죽은 식물을 혼합하여 생물가스를 만들어 요리, 난방, 조명, 발전(100만 이상 반응기) 3. 쓰레기 소각; 원래 부피의 1/10로 감소

에너지 변환 현 미국에서 사용하는 에너지의 1/3는 전기적인 것 - 에너지 변환 과정을 거쳐 사용. 3 단계: 1) 화석 연료의 화학결합에서 위치 에너지가 열에너지로 전환. 2) 연소에서 배출된 열은 물을 증기로 기화화하는데 흡수됨. 그 다음 이 열은 터빈을 돌리는데 사용되는 기계에너지(일에너지)로 변환 됨. 3) 터빈은 발전기를 돌려서 기계에너지를 전기에너지로 바꿈.

에너지 변환 전기 발전소에서 에너지 변환 에너지는 전 변환과정에서 보존되지만 효율은 1보다 작음(< [ (Th-Tc)/Th ]). 열을 완전히 일로 바꿀 수 없다.(2nd) Figure 4.17

질서와 엔트로피(S) 열역학 제2법칙(자발적 방향 제시): - 열을 완전히 일로 바꿀 수 없다. - 저온에서 고온으로 일을 안하고 에너지를 옮길 수 없다. - 우주는 보다 무질서한 상태로 변한다. - 우주는 엔트로피가 극대로 증가한다. S = kBln W S우주 = S계 + S주위

보존 석유의 세계의 요구량은 년 2%이상 씩 증가. 과거 15년 동안 에너지의 사용은 남미에서 30%, 아프리카에서 40%, 그리고 아시아에서 50% 증가. 2020가 되면, 이는 400억 barrels / year가 됨을 의미. 현 소비율로 된다면 전통적인 석유 비축은 34년 정도에 끝이 난다는 계산. 이런 에너지의 증가되는 사용 결과는 지구에서 CO2 배출이 50% 증가를 가져올 것임.

보존 일단 전기가 발전되었다면, 상당한 절약을 사용을 통해서 실현될 수 있음. 75 w 전구를 10,000 시간 지속적으로 사용될 수 있는 18 w 형광 전구로 바꾼다면: 석탄 350 kg로 만들어지는 전력을 절약했고, 720 kg의 CO2 와 8 kg의 SO2 w가 대기중에 배출 안될 것임. 또한 전기 발전 경비에 $100 를 절약하게 될 것임. 보존의 다른 방법은 운송에서 - 지구 사용되는 전 에너지의 20%이며 석유 생산량의 50%이상이 차에 대중 교통수단이 상당히 경제적 - 일본 47%, 미국 단 6%