Energy, chemistry, and society

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1 Energy, chemistry, and society
이영식

2 World Energy consumption

3 US energy consumption During the 140 years between 1850 and 1990 total energy consumption per individual more than tripled. you and I use 3 times as much energy during our lifetimes as someone who lived 1850s As energy consumption per capita increased, so did the nation's GNP. Essentially, we convert energy into food, housing and products; and the more energy we put into this process, the better we live

4 Energy consumption per capital
The relationship between GNP per capita and energy use per person follows a straight line and emphasizes the relationship between how much energy we consume and our standard of living.

5 에너지 사용량의 증가요인 에너지 사용량의 증가 새로운 고에너지 원천의 등장 에너지를 이용하고 뽑아내는 방법의 발전
에너지 관점에서 미국인 1명=130명의 육체 노동자

6 Matter & Energy 물질 (matter) 에너지 (energy) E=mc2 공간을 차지하고 질량(mass)을 가진다
일을 할 수 있는 능력 열(heat)과 일(work)의 형태를 가진다 E=mc2 물질과 에너지의 연관성

7 James P. Joule ( ) born in Salford, Lancashire worked in a brewery Hero in Thermodynamics 질문 : 무게 25℃ 물이 1 g 있다. 이 물의 온도를 올릴 수 있는 방법은 무엇인가?

8 일(실험 2)과 열(실험 1)은 같은 효과를 얻을 수 있다.
대답 = 두 가지 해결 방법 일(실험 2)과 열(실험 1)은 같은 효과를 얻을 수 있다.

9 Work and heat 일이나 열은 같은 효과를 얻을 수 있다. 일과 열은 결국 같은 종류의 것이 아닐까?
일이나 열은 같은 효과를 얻을 수 있다. 일과 열은 결국 같은 종류의 것이 아닐까? Joule은 일과 열을 모두 '에너지'라는 새로운 개념의 한 형태로 정의 에너지는 계의 상태가 변할 때 일이나 열의 형태로 나타낼 수 있는 추상적인 양

10 에너지의 단위 에너지의 크기는 줄(J)이라는 단위로 표시
1 J은 어떤 물체를 1 뉴턴(N)의 힘으로 1 m만큼 움직이는 데 필요한 일의 양 1 J = 1 Newton-meter 1 J은 1 kg의 책을 중력에 대해서 10 cm만큼 들어올리는데 필요한 일의 양 인간의 심장이 한번 박동하는데 필요한 에너지 1840년대 줄의 실험에 의해 물 1g의 온도를 1℃올리는 데 필요한 열은 4.18J의 일(1cal)에 해당한다는 사실이 밝혀졌다. 1 cal = J 따라서 J은 일과 열, 그리고 에너지를 나타내는 단위

11 다른 에너지 단위들 calorie Erg BTU (British thermal unit)
식품 분야에서 많이 쓰이는 에너지 단위 1 cal = J 1 Cal = 1 kcal Erg 1 J = 107 erg BTU (British thermal unit) 일 파운드의 물을 화씨 일도 올리는데 필요한 에너지

12 First law of thermodynamics
에너지 = 열 + 일 에너지는 창조되지도 소멸되지도 않는다.

13 연소를 통한 에너지 연료 CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O + E 에너지의 원료
석탄, 목재, 천연가스, 석유 등 구성성분을 연소시켜 열을 얻는다 (발열반응) 연소란 연료가 산소와 결합하여 산화물을 반들면서 열과 빛을 내는 화학반응 연소 과정에서도 에너지는 보존된다 CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O + E

14 화학반응 = 결합의 재배치 화학결합 화학반응 결합을 끊는데 에너지가 필요하다. 분자에 에너지를 가해주어야 한다. 흡열반응
화학결합을 끊고 새로운 화학결합을 만든다 약한 결합을 끊고 강한 결합을 만들면 에너지가 남는다. (반응열의 발생)

15 화학결합과 에너지(kJ/mol)

16 Hydrazine synthesis reaction
N2 + 2H2 → N2H4 Energy absorbed for bond breaking x (+436) = kJ Energy released by bond making (-389) x 4 + (-163) = kJ Energy change during the reaction (+1818) + (-1719) = +99 kJ

17 Water Generation reaction

18 반응열 반응열 반응열 측정 표준상태에서 이루어진 반응에서 발생한 열
직접법 : 통열량계를 이용하여 직접 측정, 또는 표에서 직접 계산 간접법: 원소로부터 직접 합성이 안 되는 경우 Hess의 법칙 이용

19 Born-Haber cycle : 1 mol of NaCl

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21 Energy source

22 Fossil Fuel Fossil Fuels Petroleum
naturally occurring combustible material made from organic matter derived from ancient plants and animals all fossil fuels are composed of hydrocarbons Petroleum a type of fossil fuel that is a naturally-occurring, yellow to black, flammable, liquid hydrocarbon chemical reactions transform organic material into hydrocarbons

23 Carbon Cycle Carbon can be found Carbon transport processes
in air (carbon dioxide CO2) dissolved in water (carbonate ions CO32- and bicarbonate ions HCO3-) in rocks and soil (limestone CaCO3) in organisms (carbohydrates, fats, proteins, nucleic acids) Carbon transport processes Photosynthesis, where atmospheric CO2 and water are fixed to organic compounds such as sugar  Respiration, where organic compounds consumed during cellular respiration and returned to the air/water as CO2: Decay, where carbon in organic compounds making up the structure of living things is returned to the soil/atmosphere/water Fossil fuels = photosynthesis + decay

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25 Coal 땔감 → 석탄 석탄의 성분 석탄의 종류 더 좋은 에너지 공급원 산업혁명과 더불어 대량으로 개발시작
원유 보유량보다 배 석탄의 성분 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 석탄의 종류 역청탄 무연탄 높은 탄소함량과 낮은 유황성분

26 검은 액체 황금 - 석유

27 Oil Petroleum 1950년대부터 미국의 주 에너지 공급원 액체- 송유관
농축된 에너지 공급원으로 g 당 석탄의 40-60%의 에너지를 공급 원유는 정유과정 필요 석유화학공업의 탄생

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29 Events for oil Life rich ancient sea
Sediments buried the organic material raining down onto the seafloor faster than it could decay Seafloor sediments ended up at just the right depth ( ft) for heat and pressure to slow-cook Oil collected in a trp of porous sandstone or limestone An impermeable cap of shale or salt

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31 Crude Oil Imports to CA 2001 아시아, 유럽, 미주 지역의 각 대표 유종인 두바이, 브렌트, WTI유

32 원유의 정제 원유의 정제과정 부피의 단위 정유공장 증류탑에서 끓는점의 차이를 이용 분자량이 증가할수록 끓는점은 높아진다
1 배럴 = 42 갤런 1 갤런 = 리터 50 달러/배럴 = 달러/리터

33 Distillation Tower

34 One Barrel of Crude Oil Petroleum feedstocks 1.25 gal
Chemical products, plastics Asphalt and road oil 1.3 gal Boiler oil 2.9 gal Other 4.2 gal lubricants, waxes, solvents Jet Fuel 4.2 gal Diesel and Home heating oil 8.4 gal Gasoline 19.7 gal

35 Molecular manipulation
Cracking 가솔린의 급격한 수요 증가 중질유를 열분해 하여 경질유인 가솔린으로 쪼개기 고온 고압하에서 분해하는 열분해(thermal cracking) 촉매를 사용하여 분해하는 접촉분해(catalytic cracking) 합성반응

36 Reforming 리포밍 옥탄가 옥탄가가 낮은 가솔린으로부터 옥탄가가 높은 가솔린을 제조하는 법 개질 가솔린 (RFG)
N-octane(Octane Rating -20) isooctane(Octane Rating 100) 옥탄가 증가 테트라에틸 납 첨가 산소처리 휘발유 – ethanol, MTBE, methanol 첨가 Methyl tertiary-butyl ether(MTBE)

37 National Geographic, 2004 June issue

38 Bumper to Bumper Photograph by Sarah Leen Just off a ship, imported cars jam a parking lot at the port of Baltimore before trains and trucks pick them up for delivery to dealers along the mid-Atlantic coast and into the Midwest. "We get a shipment like this every day," says spokeswoman Rebecca Barber. "More than 520 vehicle carriers unload here every year." Around the country more than six million cars arrive from abroad annually, contributing to an addiction to driving that has helped make the U.S. the biggest consumer of oil—and oil-based products like gasoline—in the world.

39 Monster Bug Photograph by Sarah Leen A mechanical metamorphosis turns a lowly VW into a big attraction at the 16th Annual Summer 4-Wheel Jamboree Nationals in Bloomsburg, Pennsylvania. More than 3,000 custom vehicles came to show-and-shine or to race, attracting some 56,000 spectators. "Americans have always had a love affair with automobiles," says organizer Doc Riley. Owners of customized cars and trucks express their devotion by spending 27 billion dollars a year on additional parts

40 The Hummer Mystique Photograph by Sarah Leen "This is my everyday vehicle," says this Hummer lover, who puts 40,000 miles (60,000 kilometers) a year on her H1 running errands that include a fast-food stop for lunch near her bicycle shop in an Atlanta, Georgia, suburb. Two years ago she bought the Hummer as a cool, outdoor come-on for the business. "Everyone's reaction is still, Wow! she says. "A lot of people want to sit in it." With two small children, she also likes the safety that such a big vehicle offers. The price? $110,000, plus $60 of diesel every three or four days—worth every cent, as far as Linda is concerned.

41 Oil Underwater Photograph by Sarah Leen One hundred twenty miles (200 kilometers) off the Louisiana coast, the drill ship Discoverer Enterprise prepares for production to begin at BP's Thunder Horse oil field in As six giant thrusters hold the ship in place, its crew punches wells into the seabed 7,000 feet (2,000 meters) below. With an estimated one billion barrels of crude, this field could represent the biggest discovery yet in the Gulf of Mexico. Developments in offshore drilling have allowed oil companies to work in deeper and deeper waters. The new world record—at 10,011 feet (3,050 meters)—was set in the Gulf in November 2003.

42 What Lies Beneath Photograph by Sarah Leen The wellhead is just the tip of the iceberg at an oil storage cavern in Bryan Mound, Texas, where an employee of the Strategic Petroleum Reserve (SPR) does routine monitoring. Beneath the wellhead is an underground salt cavern the size of the Empire State Building. The SPR, the largest such reserve in the world, began operations in 1977 as an emergency crude oil storage site, ready to be drawn on should a disruption in commercial oil supplies pose a threat to the U.S. economy. Located at four sites in Texas and Louisiana, the reserve can hold up to 700 million barrels of crude oil. Should the need arise, a maximum of 4.3 million barrels of oil a day can be tapped from the reserve for 90 days. And delivery is swift. Once the President gives the go-ahead, oil can be on the U.S. market in 13 days.

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45 대체 물질 수성가스 합성 가솔린 목재 에탄올 쓰레기 소각 미생물 메탄 발생기
수증기를 뜨거운 코크스 위로 흘려 발생하는 일산화탄소와 수소의 혼합물 C + H2O(g) → CO(g) + H2 (g) 합성 가솔린 Fischer-Tropsch 법 일산화탄소 + 수소기체 + 철 혹은 코발트 촉매 → 탄화수소(C5-C8) 합성 목재 이산화탄소의 효과적인 흡수제 에탄올 전분, 설탕 등 탄수화물의 발효 가솔린과 혼합하면 가소올 연료 순수한 메탄올 엔진 = 경주용 자동차 쓰레기 소각 미생물 메탄 발생기

46 에너지 보존 화석연료의 중요성 전력은 주요한 에너지 소비 운송수단의 변화
화학약품의 합성에 필요한 다양한 재료를 연료로 태워버리고 있다 전력은 주요한 에너지 소비 보다 효율적인 발전소 발전된 전기의 절약 재활용, 신공정 – 알루미늄 캔 한 개의 재활용으로 얻어지는 에너지로 3시간 동안 TV를 볼 수 있다. 운송수단의 변화 대중 교통수단 친환경적인 운송수단 연비(miles per galon, mpg) 비교 – 표 4.5

47 References Pub graphics of general chemistry book Physics and energy Bond energy Fossil feuls