1. 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

2. 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.

3. US Oil Production and Imports Figure 4.1a

4. Global Oil Production Figure 4.1b

5. 에너지 란? • 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 = 힘x 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).

6. 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)

7. 에너지 보존과 소비 • 에너지는 소모되는 것이 아니다. • 1st Law of Thermodynamics, • 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)

8. 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.

9. 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.

10. Annual per capita Energy Consumption Figure 4.3

11. US Energy Consumption Figure 4.4

12. US and World Energy Consumption Figure 4.5

13. 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

14. 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 방출하는화학적이거나 물리적 변화. • 흡열 반응(Endothermic) – 에너지를 흡수하는화학적이거나 물리적 변화.

15. An Exothermic Reaction Figure 4.7

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

17. 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.

18. Activation Energy Diagram Figure 4.10

19. 화석 연료(Fossil Fuels) • 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.

20. 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

21. 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 양의CO2는 지구의 온난화에 일조하고 있음.

22. 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 releases30 kJ • - 1 gram of wood releases10 – 14 kJ • -Coal contains a higher % of carbon and a lower % of oxygen and water.

23. Coal • C, H, O, 과N 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.

24. 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.

25. Bituminous Subbituminous Lignite Anthracite Main Coal Deposits

26. 석탄에서 유황 • 석탄을 태우면 유황은 주로 이산화유황(sulfur dioxide), SO2, 로 나오는데 이는 심각한 오염물질임. 석탄은 더러운 연료로서 NOx and CO2같은 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 isinorganic (FeS2 or CaSO4) and organic (Sulfur bound to Carbon).

27. 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.

28. 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.

29. 분별 증류탑(Fractional Distillation Tower) Figure 4.12

30. 석유 생산품 • 원유에서 증류된 각종 분별은 각기 다른 용도를 가짐. • 가장 낮은 끓는 성분은기체로 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.

31. Petroleum Products 42 gallons Figure 4.13

32. 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 % 이하의CO2를 배출.

33. 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)

34. 개량된가솔린 • 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 함유한RFG는 더 적은 CO 를 배출하고 더 휘발적인 탄화수소를 보다 낮은 퍼센트를 가져 깨끗하게 탄다.

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

36. 대체물: Ethanol, CH3CH2OH • 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.

37. 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

38. 에너지 변환 • 현 미국에서 사용하는 에너지의 1/3는 전기적인 것 • - 에너지 변환 과정을 거쳐 사용. • 3 단계: • 1) 화석 연료의 화학결합에서 위치 에너지가열에너지로 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.

39. 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

40. 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

41. 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.

42. 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 CO2와 8 kg의 SO2 w가 대기중에 배출 안될 것임. • 또한 전기 발전 경비에 $100를 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%