[일반화학] 에너지

에너지는 우리의 일상생활에 필수적인 요소이다. 공장이나 자동차에 사용되는 석탄과 기름이 현대 산업 사회의 동력이 되듯이, 우리가 먹는 음식은 우리가 살아가는 데 필요한 에너지를 우리 몸에 제공해 준다.

 

 과거에는 탄소 화합물인 화석 연료가 원하는 만큼 무한정 공급될 수 있을 것처럼 보였다. 인류는 하루에 수백만 배럴의 석유를 소비하는 등 왕성한 식욕으로 에너지를 고갈시키게 되었다. 석유자원은 점차 감소되어 가고 있지만, 현재 석유에 대한 의존도는 위험할 정도로 높다. 이런 석유에 대한 의존도는 국제간의 분쟁을 유발시키는 원인이 되고 있다. 값싸고 풍부한 에너지원이었던 석유는 놀라울 정도로 짧은 기간에 비싸면서도 양을 예측할 수 없는 에너지로 바뀌게 되었다. 따라서 우리 사회가 현재 수준의 생활을 영위해 나가려면 석유를 대체할 수 있는 연료의 개발이 시급한 문제가 되었다.

 

화석 연료의 사용은 또 다른 문제점을 야기하고 있다. 화석 연료가연소할 때 나오는 폐기물이 우리 환경을 심각하게 오염시킨다. 한 예로, 탄소 연료가 연소할 때, 탄소가 공기 중의 산소와 반응하여 발생하는 이산화탄소가 공기 중으로 방출되는 경우를 생각해보자. 다량의 이산화탄소가 광합성 작용이나 기타 탄소 화합물을 만드는 자연 현상에 소비되지만, 대기 중의 이산화탄소의 양은 꾸준히 증가하는 추세이다. 대기 중의 이산화탄소는 지구 표면에서 복사하는 열을 흡수하여 이 열을 다시 지구로 복사하게 된다. 이것이 이산화탄소가 지구의 온도를 조절하는 중요한 메커니즘이기 때문에, 이산화탄소의 농도 증가에 따른 지구 온난화로 인한 심각한 기후 변화가 일어날 것을 우려하게 되었다. 또한, 화석 연료에 포함된 불순물로 인하여 연소 과정에서 대기 오염 물질이 발생하게 된다.

 

에너지는 거시적인 규모의 우리 사회에서 중요한 요소인 것과 같이, 미시적인 규모의 살아있는 유기체에도 매우 중요한 요소이다. 유기체의 세포는 화학 반응으로 생기는 에너지로 돌아가는 작은 화학 공장이라고 할 수 있다. 세포의 호흡과정에서는 당류 등의 영양소에 저장된 에너지를 추출하여 세포의 여러 기능을 수행하도록 한다. 세포의 에너지 추출 과정이 훨씬 복잡하고 정교하지만, 세포가 "연료"분자로부터 얻는 에너지는 내연 기관을 가동시키기 위해 연료를 연소시키는 과정에서 나오는 에너지와 동일하다.

 

에너지를 한 형태에서 다른 형태로 전환하는 것이 기계의 엔진이든 유기체의 세포이든 상관없이, 이 과정은 동일한 원리에 의해 이루어진다.

 

에너지의 본질

 

에너지라는 개념이 친숙하기는 하지만, 에너지를 명확하게 정의하기는 쉽지 않다. 에너지는 일을 하거나 열을 발생시킬 수 있는 능력이라고 정의한다.

 

에너지의 가장 중요한 특성은 그 양이 보존된다는 것이다. 에너지 보존 법칙에 의하면, 에너지는 다른 형태로 바뀔 수는 있지만 새로 만들어지거나 소멸되지는 않는다. 즉, 우주의 에너지는 일정하다. 에너지는 퍼텐셜 에너지와 운동 에너지로 분류할 수 있다. 퍼텐셜 에너지는 위치 혹은 조성의 변화에 따른 에너지를 말한다. 예를 들어, 댐 안의 물은 터빈을 통과하면서 일로 바뀔 수 있는 퍼텐셜 에너지를 갖고 있으며, 이 퍼텐셜의 에너지의 변화 과정에서 전기가 발생하게 된다. 인력과 척력도 퍼텐셜 에너지를 갖게 하는 요인이다.

 

온도는 특정 물질을 이루고 있는 입자의 무질서한 운동을 나타내는 성질이다. 반면에 열은 두 물체 사이의 온도 차이에 의한 에너지의 전달을 포하마는 개념이다. 흔히 알고 있는 것과는 다르게, 열은 특정한 물체에 들어있는 물질이 아니다.

 

상태함수는 현재 상태에 의해서만 그 값이 결정되는 계의 특성을 나타낸다. 상태 함수(성질)은 계의 과거(혹은 미래)와는 아무런 관계가 없다. 다른 말로 표현하자면, 상태 함수의 값은 계가 현재 상태에 어떻게 도달하였는지와는 무관한 중요한 특성을 알려준다. 한 상태에서 다른 상태로 변화하였을 때, 상태 함수(성질)의 변화량은 변화 경로에 무관하게 결정된다.