Energy , chemistry , and society

Energy, chemistry, and society
2004. 10

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

James P. Joule (1818-1889)
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?

대답 = 두 가지 해결 방법

Work and heat
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

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 = 4.184 J
따라서 J은 일과 열, 그리고 에너지를 나타내는 단위

다른 에너지 단위들
calorie
식품 분야에서 많이 쓰이는 에너지 단위
1 cal = 4.184 J
1 Cal = 1 kcal
Erg
1 J = 107 erg
BTU (British thermal unit)
일 파운드의 물을 화씨 일도 올리는데 필요한 에너지

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

work
Work = force x displacement
Physical work
No force means no work
Work = pressure x volume change
Expansion work
Pressure = force / area
Volume = area x displacement
Work = F dx = P dV

Expansion Work

Heat 열
높은 온도에서 낮은 온도의 물체로 흐른다
분자운동이 활발하면 열이 만다

온도
열의 흐르는 방향을 결정지어 주는 물리성질
분자 운동의 평균 속력에 대한 통계적 척도
열에너지가 증가하면 온도가 상승

World Energy consumption
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 during the civil war.
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 (some may debate whether we actually live "better" than people did during the 19th century)

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.

에너지 사용량의 증가요인
에너지 사용량의 증가
새로운 고에너지 원천의 등장
에너지를 이용하고 뽑아내는 방법의 발전

에너지 관점에서 미국인 1명=130명의 육체 노동자

Energy source
연소를 통한 에너지
연료

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

화학반응 = 결합의 재배치
화학결합을 끊는데 에너지가 필요하다.
분자에 에너지를 가해주어야 한다.

화학반응
화학결합을 끊고 새로운 화학결합을 만든다
약한 결합을 끊고 강한 결합을 만들면 에너지가 남는다. (반응열의 발생)

화학결합과 에너지(kJ/mol)
Hydrazine synthesis reaction
N2 + 2H2 → N2H4

Energy absorbed for bond breaking
+946 + 2 x (+436) = +1818 kJ
Energy released by bond making
(-389) x 4 + (-163) = -1719 kJ
Energy change during the reaction
(+1818) + (-1719) = +99 kJ

Water Generation reaction

반응열
표준상태에서 이루어진 반응에서 발생한 열

반응열 측정
직접법 : 통열량계를 이용하여 직접 측정, 또는 표에서 직접 계산
간접법: 원소로부터 직접 합성이 안 되는 경우

Hess의 법칙 이용

Bomb calorimeter

Using Bomb calorimeter
submerges the reaction inside an insulated container of water. An electrical heating device starts the reaction inside a sealed reaction vessel and the temperature rise of the water which surrounds it is measured.
heat loss from a calorimeter
to use an electrical heater to produce the same temperature change over the same time period in the calorimeter as the reaction being measured.
Another method is to keep the temperature of the water surrounding the reaction vessel constant by heating or cooling it

Heat capacity calculation
Heat of combustion calculation

Born-Haber cycle : 1 mol of NaCl

Reaction Profile-A Plot of Energy vs. Rxn coordinate

Activation energy
엄청난 발열반응도 활성화 에너지가 필요
반응을 일으키는데 필요한 에너지
활성화 에너지가 크면 반응이 어렵다

Net energy change in reaction
평형상수와 관련
흡열, 발열 반응 여부
Direction of change and Rate

Diamond vs. Graphite
Thermodynamic vs. Kinetic control

Catalyst by Halston
Definition of Catalyst
A chemical substance that participates in a chemical reaction and influences its speed without undergoing permanent change
활성화 에너지가 감소한 것처럼 보인다.
산업체 ? 촉매 (하버 공정)
생체 ? 효소
자동차 ? 촉매 변환기

Enzyme reaction

Haber Process
공기 중 질소를 암모니아로
화학 비료, 화약의 원료
평형과 촉매에 대한 이해를 통해 가능

Demand for N fertilizers
During the 20th century, the world-wide demand for nitrogen based fertilizers exceeded the existing supply.
인구는 최근 200년 동안 5배 이상 증가하였고, 평균 수명도 2배 이상 늘어났다.
오늘날 중부 유럽에서는 1 ha의 땅에서 약 4톤의 농작물을 생산한다고 한다. 화학비료가 없었던 때에는 풍년인 해에도 같은 면적에서 2 톤 이상을 생산하지 못했다.
살충제가 없었다면 수확량의 1/3 이상은 벌레나 잡초 때문에 수확할 수 없었다. 설령 수확을 해도 방부제가 없었기 때문에 오랜 기간 동안 보존하기도 쉽지 않았다.

Chile Guano deposit
The largest source of the chemicals necessary for fertilizer production was found in a huge guano deposit (essentially sea bird droppings) that was 220 miles in length and five feet thick, located along the coast of Chile.

Fritz Haber (1868-1935)
http://www.woodrow.org/teachers/chemistry/institutes/1992/Haber.html
Nobel prize in Chemistry 1918
"for the synthesis of ammonia from its elements“

Fritz Haber
Kaiser-Wilhelm-Institut (now Fritz-Haber-Institut) fur physikalische Chemie und Electrochemie Berlin-Dahlem, Germany

CHEMIST AND PATRIOT
In 1911, Haber was appointed director of the Kaiser Wilhelm Institute for Physical Chemistry in Berlin.
This new research facility was to become more famous than the school he had built up at Karlsruhe. With the outbreak of World War I in 1914, Haber was in charge of forming a center for cross-disciplinary research in chemistry and physics and as such, he immediately placed himself and his laboratory at the service of the German government. He became a behind-the-scenes consultant on industrial mobilization.
During the war, Haber, the embodiment of Prussian pride, unquestionably and uncritically accepted the State's wisdom. He served his beloved country in many ways. For example, because Germany was essentially landlocked for the duration of the war, the supply of necessary materials was a serious problem.
Haber's institute worked on numerous wartime concerns including the problem of keeping motors running. He showed that xylene and the solvent naptha were good substitutes for toluene as an antifreeze in benzene motor fuel. Since xylene and naptha were available in Germany and toluene was not, Haber's contributions helped to keep German machinery running and aided in sustaining their war effort for four years.

Jewish academics
When Hitler became Chancellor and Jewish academics were purged, Haber realized that the time had come when his strong patriotism and his service to his native land could not overcome the reality of his Jewish heritage.
Because of his distinguished service to his country in World War I, his life was not actually threatened, but he realized that it was time to emigrate. It is known that he would have preferred to go to Switzerland, but no invitation was offered.
He was offered a position at Cambridge; thus, he left Germany for good in 1933. He did not stay long in England, as ill health and the climate depressed him. On route to visit Switzerland, he died suddenly at Basle on January 30, 1935, at the age of 65.

Fossil Fuels
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

Carbon Cycle
*Carbon can be found
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

Coal
땔감 → 석탄
더 좋은 에너지 공급원
산업혁명과 더불어 대량으로 개발시작
원유 보유량보다 20-40 배

석탄의 성분
표 4.2
탄소, 수소, 산소, 질소, 황
석탄의 종류
역청탄
무연탄
무연탄 ? 높은 탄소함량과 낮은 유황성분

검은 액체 황금 - 석유
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

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 (7500-15000 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

Crude Oil Imports to CA 2001
원유의 정제

원유의 정제과정
정유공장 증류탑에서
끓는점의 차이를 이용
분자량이 증가할수록 끓는점은 높아진다

부피의 단위
1 배럴 = 42 갤런
1 갤런 = 3.7854 리터
50 달러/배럴 = 0.3145 달러/리터

Distillation Tower

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

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

Reforming
리포밍
옥탄가가 낮은 가솔린으로부터 옥탄가가 높은 가솔린을 제조하는 법
개질 가솔린 (RFG)

옥탄가
N-octane(Octane Rating -20)
isooctane(Octane Rating 100)

옥탄가 증가
테트라에틸 납 첨가
산소처리 휘발유 ? ethanol, MTBE, methanol 첨가
Methyl tertiary-butyl ether
Table 4.3

대체 물질
수성가스
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

Heat Engine
엔진
열을 일로 바꾸는 장치
증기 터빈, 내연기관

열과 일
일을 시켜 에너지 축적 ? 발전
열을 일로 바꾸는 효율의 한계

Heat Engine Maximum Efficiency (ε)

에너지보존법칙만으로 충분한가?
에너지보존이라고 찬 물체가 점점 더 차질 수 있는가?
더운물과 찬물이 합치는 경우를 설명?
열은 더운 곳에서 찬 곳으로, 한 방향 만으로!

계가 일을 하는데 사용 할 수 있는 에너지(Free Energy)는 내부에너지에서 TS를 뺀 양이다.
F = U - TS
T: 절대온도(K) ; ℃ + 273.15 = K
S: 엔트로피( ≥ 0 )

Work and Heat
공과 부딪친 바닥 분자들은 운동이 증가된다. 이런 미시적 에너지가 열이다. 공과 바닥 모두 충격이 일어나기 전보다 따뜻해 졌을 것이다.
공을 구성하는 분자들이 모두 같은 방향으로 위로 움직여야 하며, 동시에 마루를 구성하는 모든 분자들이 위로 움직여야 공을 밀 수가 있다.
확률적으로 불가능하다.

Definition of Entropy
Clausius에 의해 창안된 엔트로피(Entropy, S)는 단적으로 어느 계의 무질서한 정도를 나타내는 물리적 개념이라고 정의된다.
그는 '열의 역학적 이론에 관하여(On The Mechanical Theory of Heat)'란 논문에서 모든 언어에 두루 쓰이도록 그리스어의 '변형(tropy)'이라는 단어를 빌어 'energy'라는 용어에 유비적으로 'entropy'라 명명한다고 밝혔다.
우여곡절 끝에 1877년 볼츠만(Ludwig Boltzmann, 1844-1906)에 의해 S = klog W (W는 분자들의 배열 방법 수)라는 수학적인 관계식이 유도되면서야 비로소 엔트로피의 물리적 의미가 설정되었다.

열역학 제 2 법칙
자발적인 변화의 방향
엔트로피의 증가
무질서도의 증가
엔트로피가 줄어드는 변화의 가능성을 원칙적으로 금하는 것이 아니라 경우의 수를 생각하면 매우 확률이 적다

Maxwell’s Demon
맥스웰의 도깨비
츠즈키 타쿠지 지음
김현영 옮김
혼자서 떠나는 과학여행 시리즈 005
237쪽 | A5신
2004년 1월 5일 홍
ISBN : 89-5517-135-8
Entropy = information

맥스웰 도깨비 패러독스
1800년대 영국 출신 물리학자인 맥스웰
하나의 밀폐된 방과 그 방 한편에 아무런 저항없이 잘 열리는 창이 존재한다는 것을 전제로 한다. 도깨비가 공기 중에 있는 산소만을 골라 그 방에 집어 넣는다고 가정한다. 공짜 산소방!
이 패러독스는 50 여 년 후 헝가리 출신 핵 물리학자 스칠라드에 의해 해석이 되었다. 스칠라드에 의하면, 산소가 하나씩 방에 넣어질 때마다 정보라는 것이 들어간다는 것이다. 즉,우리는 공짜가 아니라 도깨비의 정보를 얻어서 산소 방을 만들게 되는 것이다.
산소가 채워짐으로써 산소 방의 엔트로피는 낮아지지만 정보가 높아져서 결국에는 엔트로피와 정보의 총량은 변하지 않게 되는 것이다.

에너지 보존
화석연료의 중요성
- 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

Environmental Issues of Fossil Fuels
- Spills and Leaks
Tankers
Production facilities
Storage facilities
Pipelines
Natural leaks or seeps
- Strip mining or open pit mining
water pollution - acid mine drainage
soil erosion
water table interference

- Subsurface mining
water pollution
subsidence
water table interference
health hazards to miners- black lung disease

References
http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/09.html
Pub graphics of general chemistry book
http://blueox.uoregon.edu/~courses/dlivelyb/ph161/home.html
Physics and energy
http://www.chem.lsu.edu/htdocs/people/lgbutler/1202_Fall96/WebInit/Ch9_Bonds.html
Bond energy
http://jove.geol.niu.edu/faculty/fischer/105_info/105_E_notes/lecture_notes/Fossil_Fuels/FF_part5.html
Fossil feuls
References
http://online.physics.uiuc.edu/courses/phys113/spring04/Lectures/SP04Lecture4_files/sld012.htm
물리학 강의