에너지와 화학

에너지

에너지의 형태

에너지는 크게 퍼텐셜에너지와 운동에너지로 나뉜다: 퍼텐셜에너지(potential energy)는 물체의 상대적 위치와 관련된다. 예로, 롤러코스터는 첫 번째 슬로프 위로 끌어올려지면 퍼텐셜에너지를 갖는데, 지상에서 상대적으로 높은 위치로 올라가면 중력이 롤러코스터를 아래로 끌어당기기 때문이다. 하지만 물체의 위치와 관련된 에너지는 중력에 의한 것만은 아니다. 전기를 띤 전하 사리의 인력과 척력에 의해서도 퍼텐셜에너지가 생긴다. 반면 운동에너지(kinetic energy)는 운동과 관련된 에너지로, 롤러코스터가 첫 번째 슬로프에서 아래로 향할 때, 퍼텐셜에너지는 운동에너지로 바뀐다.

 

롤러코스터는 거시적 수준에서 다룬 에너지의 예이고, 미시적 수준에서는 원자와 분자가 될 것이다. 원자와 분자는 일정한 운동을 하기 때문에 운동에너지를 가지며, 상호작용하는 힘에 의해 퍼텐셜에너지도 갖는다. 물체를 이루는 원자와 분자의 운동에너지와 퍼텐셜에너지의 합을 내부에너지(internal energy)라 한다.

 

어떤 물체의 내부에너지의 대부분은 물체를 이루는 원자들의 퍼텐셜에너지이다. 화학결합이 형성되거나 깨지면 퍼텐셜에너지가 변화한다. 대부분의 화학반응에서, 반응물의 결합은 깨지고, 생성물에서는 새로운 결합이 만들어진다. 생성물에서 새로운 결합이 만들어질 때 나오는 에너지의 양은, 반응물의 결합을 깰 때 필요한 에너지보다 크다. 이때 방출되는 에너지를 화학에너지(chemical energy)라 한다.

 

에너지의 형태별로 용어를 아는 것도 필요하다. 복사에너지는 빛이나 전자기복사선과 관련되며, 태양의 복사에너지는 바이오연료인 식물의 에너지원이다. 역학에너지는 물체의 운동과 관련된다. 열에너지는 물체의 온도와 관련된다. (열에너지는 원자들과 분자들의 분자수준에서의 운동과도 관련된다) 전기에너지는 전하의 운동과 관련된다. 핵에너지는 핵분열과 융합과정에서 방출되는데, 원자핵에서 양성자와 중성자 배열과 관련된 퍼텐셜에너지이다.

 

열과 일

모든 에너지의 흐름은 열 또는 일의 형태이다. 세계의 에너지경제를 평가하기 위해서는 에너지가 전달되는 두 형태를 이해할 필요가 있다. 열이란 뜨거운 것에서 차가운 것으로 에너지가 흐르는 것이다. 열은 과정이지 양이 아니다. 일상에서 “열을 올려줘”라고 말하지만, 열은 퍼 올릴 수 있는 개체가 아니다. 물체는 열을 소유하지 못한다.

 

일은 에너지를 전달하는 두 번째 형태이다. 질량을 가진 어떤 물체가 저항을 이기고 일정거리를 움직이는데 드는 힘은, 일이라는 형태로 에너지가 전달된 것이다. 롤러코스터를 생각할 때, 우리는 일의 역학에너지의 관점에서만 보는데, 일은 상당히 넓은 범위의 현상들을 포함한다. 화학과정에서 접하는 일의 가장 흔한 형태는 압력과 부피에 관한 일(PV-work)이다. 기체가 팽창할 때, 기체는 일을 한다.

 

에너지 단위

에너지를 측정하고 논할 때 다양한 단위가 사용되는데, 여기서는 SI단위인 J을 사용한다. 1 J은 1 kg m²/s²와 같다. 일은 에너지의 단위임을 기억하자. 일=힘x거리, 힘=질량x가속도 이므로

일(kg m²/s²) = 질량(kg) x 가속도(m/s²) x 거리(m)

1 J은 1 kg의 책을 10 cm 들어올리는데 필요한 에너지의 양이다. 분자수준에서 1 J은 엄청나게 큰 에너지이다; 단일결합을 깨는데 필요한 에너지는 약 10^-18 J이다.

 

에너지전환과 에너지보존

에너지의 형태는 다양하다. 그러나 그 쓰임이 같지 않기 때문에, 많은 경우 에너지를 알맞은 형태로 전환시켜 사용한다.

 

에너지형태를 바꿀 때 적용되는 자연의 법칙을 생각해 보자. 에너지전환(transformation)에서 가장 중요한 제약조건은 다음과 같다. “총에너지는 보존되어야 한다.” 에너지변환과 에너지이동 과정을 설명하려면, 총에너지양은 일정해야 한다. 우선, 다음의 용어들을 정의할 필요가 있다. 계(system)는 우주의 일부이다. 계를 제외한 우주의 남은 부분은 주위 경계는 물리적 용기일 수도 있고, 추상적인 분리를 뜻하는 것일 수도 있다.

 

계와 주위의 선택이 늘 명확하지는 않다. 예로, 연구하려는 계(system)가 “지구의 대기”일 때, 경계(boundary)를 정의하기가 쉽지 않다. 대기밀도는 점차 줄어드는데, 우리는 그 끝을 모호하게 결정해애야 한다.

 

일단 계가 정해지면, 에너지보존 개념을 사용할 수 있다. 여기서 에너지 전달형태는 열과 일, 두가지뿐이다. 따라서 계의 에너지(E)의 총 변화는 열(q)과 일(w)로 표현된다.

△E = q + w

△는 변화향을 뜻한다. 열역학에서 자주 사용되는 부호로, 최종상태와 처음상태의 차이로 정의된다.

 

계의 안으로 이동한 에너지는 (+)부호를, 계의 밖으로 흘러나온 에너지는 (-)부호를 붙인다. 열이 주위에서 계로 흘러가면 q의 값은 (+)이다. 일이 계에 행해지면 w의 값은 (+)이다. 반대로, 열이 계의 밖으로 흘러나오거나, 일이 계에 의해 주위로 행해지면, q와 w는 (-)가 될 것이다.

 

q와 w의 부호는 계의 입장에 의한 것이기 때문에, △E는 계에서 일어난 변화이다. 계의 내부에너지변화는 주위의 내부에너지변화와 같다.

△E_surrounding + △E_system = 0

에너지는 전환될 수 있으나, 창조되거나 소멸하지 않는다. 열역학 제1법칙이다.

 

에너지 손실

에너지는 다양한 형태로 전환될 수 있다. 하지만 열을 완벽하게 일로 바꾸는 것은 불가능하다. 가솔린 연소로 발생된 에너지의 일부는 차를 움직이는 일에 쓰이지 못한다. 이 에너지는 손실된 것으로 간주할 수 있다.

 

계가 일을 하도록 만드는 일반적인 방법은 계를 가열하는 것이다; 열이 계로 흘러가면 계는 일을 한다. 하지만 실제에서는 일의 양보다 더 많은 열이 필요하다. 과잉의 열은 열오염을 일으킨다.

 

열용량과 열량측정

열용량과 비열

두 개의 계 또는 물체의 온도를 올리고자 한다. 두 계가 흡수하는 에너지의 양은 다음 세가지 요인에 따라 달라진다: 물질량, 물질종류, 그리고 온도변화. 뜨거운 여름날 해변, 같은 시간동안 차가운 물 한 컵은 빨리 데워지지만, 바닷물의 온도는 크게 변하지 않는다. 컵 안의 물과 바닷물은 그 양에서 차이가 크다. 물질종류 또한 중요한데, 해변 근처에 있는 모래는 대부분의 성분이 이산화규소로(SiO₂)로, 얕은 물보다 빠르게 데워진다. 같은 양의 태양에너지에 노출되었지만, 데워지는 속도는 달랐다. 마지막으로, 공급된 에너지양은 온도변화와 관련된다. 흐린날 해변의 모래는 쉽게 데워지지 않는다: 구름이 태양에너지 일부를 흡수하기 대문에, 모래에 공급된 에너지의 양은 작다. 따라서 주어진 온도변화를 이용하여 열을 계산하고자 할 때, 가열된 물질의 양과 특성도 알아야 한다. 이것을 식으로 나타내면 다음과 같다. 여기서 c는 물질의 특성으로, 비열 용량(또는 비열)이라 한다.

q= m c △T

비열은 물질의 물리적 성질로, 물질 1 g의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열이다. 몰열용량은 물질 1 mol의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열이다. 물질의 양을 mol로 표현하고자 한다면, 식은 다음과 같다.

q = n C_p △T [C_p는 일정한 압력에서의 열용량]

 

열량측정

열의 흐름을 측정하기 위해 열량측정을 한다. 계가 내놓거나 흡수한 열은 주위의 온도변화를 측정하여 결정된다. 열량계는 단열이 최우선이다. 열량계가 우주의 나머지로부터 열적으로 고립되어 있다면, 열의 흐름은 계와 인접한 주위 사이에서만 일어난다.

 

두 단계의 과정을 거쳐 열량측정이 이루어진다. 첫 번째 단계는 보정이다. 두 번째 단계는 실제 측정으로, 양을 알고 있는 어떤 물질의 반응에서 흡수하거나 방출된 열의 양을 측정한다. 열량계를 보정하기 위해서는, 특성화된 물질의 알려진 양을 태워 열량(q)을 계산할 후, 주위의 온도변화(△T)를 측정하는데, 이 때 열량계의 열용량(C_열량계)을 구할 수 있다.

q = C_열량계 x △T

q와 △T의 초기식과 비교했을 때, 위 식에서 질량이나 몰수가 없다. 열량계상수(C_열량계)는 열량계의 열용량이고, 열량계는 하나이기 때문이다.

 

열량계상수를 알게 되면, 열량계로 물질의 열량을 측정한다. 질량을 측정한 반응물을 열량계에 넣고, 반응물이 반응을 시작하면 열량계의 온도변화를 측정한다. 열량계상수를 이용하여 반응에서 방출하거나 흡수한 열량을 계산할 수 있다.