열화학 : 에너지의 본질

에너지란 무엇일까? 주변에서 주로 사용하는 단어일 텐데 정확한 정의를 알지 못할 수 있다. 에너지는 우리의 일상생활에 아주 유용하게 쓰이는 필수적인 요소이다. 작게 보면 우리가 주로 사용하는 핸드폰과 컴퓨터부터 시작해 자동차와 공장, 한 도시가 굴러가게 만드는 것이 바로 에너지이다. 공장이나 자동차에 사용되는 석탄과 기름이 우리 사회의 동력이 되듯이 우리도 음식을 섭취함으로써 우리 몸의 생활을 위한 에너지를 사용한다. 과거에는 탄소 화합물인 화석 연료가 충분히 있을 거라 생각해 무한히 지속 가능할 것이라 생각하였다. 하지만 인류는 그에 비해 너무나도 방대한 소비량을 자랑하며 에너지를 고갈시켰다. 특히 석유에 관한 사회의 논쟁이 계속되고 있는데, 석유의 경우 우리가 사용하는 양은 매우 방대하지만 반해 남아있는 석유의 총량은 턱없이 부족한 상태이다. 특히 석유의 의존도는 전 세계가 매우 높은데 이는 국가 간의 분쟁을 일으키는 원인이 된다. 따라서 이번에는 화학과 에너지의 관계를 설명해 보겠다. 석유가 포함되어 있는 화석 연료의 경우 또 다른 문제를 발생시키는데, 그것은 사용할 때마다 환경에 해가 되는 유독가스가 발생하는 것이다. 연료가 연소할 때 이산화탄소가 발생하는데, 이러한 이산화탄소는 광합성 작용이나 각종 탄소 화합물의 생성에 쓰인다. 하지만 연료의 소비가 과도하게 진행되면서 이산화탄소가 과도하게 나오고 있어 대기 중의 이산화탄소 농도는 점점 높아져 가고 있다. 이는 지구 온난화로 인한 심각한 기후 변화가 일어날 것을 우려하고 있다. 에너지는 우리 사회에서 매우 중요한 요소인 것과 같이, 살아있는 생물 자체에도 매우 중요하게 사용되는 요소이다. 우리가 화석 연료를 직접 공급받지는 않지만, 화석 연료를 이용해 우리가 필요로 하는 영양소들을 공급받아 우리 몸 안의 세포에서 작은 공장을 만들어 에너지가 공급받게 된다. 세포의 호흡 과정에서 나오는 에너지를 추출해 세포의 기능을 수행하도록 한다. 물론 세포의 호흡 과정과 화석 연료의 연소 과정은 비교할 정도가 안될 정도로 복잡한 정도가 크지만 동일하다. 과정과 상관없이 우리는 다른 에너지를 우리가 사용할 수 있는 형태의 에너지로 변경하여 사용한다.



자 그럼 에너지의 본질에 관해 좀 더 알아보자. 에너지라는 개념을 명확하게 정의하기는 어렵지만, 화학에서는 에너지는 일을 하거나 열을 발생시킬 수 있는 능력이라고 정의한다. 에너지의 중요한 특성 중 하나는 그 양이 보존된다는 것이다. 에너지 보존 법칙에 의하면, 에너지는 다른 형태로 바뀔 수는 있으나 새롭게 생성되거나 사라지지 않는다. 다시 말해 우리가 사는 세상의 에너지 총량은 일정하다는 것이다. 퍼텐셜 에너지란 우리가 에너지를 사용하면서 위치 또는 조성의 변화에 따른 에너지를 말한다. 예를 들어서 수력 발전기의 물은 터빈을 통과하면서 일 에너지로 변화할 수 있는 퍼텐셜 에너지를 지니고 있으며, 이 변화 과정에서 전기 에너지가 발생하게 되는 것이다. 운동 에너지는 물체의 운동에 따른 에너지이며, 물체의 질량과 속도에 따라 변동된다. 에너지는 한 가지 형태에서 다른 형태로 쉽게 바뀔 수 있다. 예를 들어서 두 공을 충돌시킨다고 해보자. 한 공은 다른 한 공보다 높이에 있다. 더 높은 곳에 위차한 공을 X, 낮은 곳에 있는 공을 Y라고 하자. 더 높은 높이에 위치한 공이 낮은 높이에 위치한 공보다 퍼텐셜 에너지가 높다고 볼 수 있다. 높은 높이에 위치한 공을 아래로 굴려 두 공을 부딫치게 만들어버리자. 그 결과 더 높은 곳에 있었던 공은 아래로 내려오고 다른 공이 더 높은 위치를 차지하게 되었다. 이렇게 되면 원래의 잠재력 에너지가 줄어든 것일까? 우선 공이 높은 곳에서 떨어지면서 퍼텐셜 에너지는 운동에너지로 전환되고, 운동 에너지의 일부는 다른 공에게 전달되어 낮은 곳에 있는 공을 높은 곳으로 올려보낸다. 하지만 올라간 높이가 떨어트린 높이만큼 높지 않았고, 일부 에너지는 두 공 간의 관계로 설명이 되지 않는다. 나머지 에너지는 어디로 간 것일까? 공이 굴러떨어지면서 일부 운동 에너지는 언덕 표면에 열로 전달이 된다. 이를 마찰 가열이라 명명한다. 따라서 공이 굴러떨어진 표면의 온도가 미세하게 높아지게 된다. 더 글을 쓰기 전에 열과 온도의 구분을 확실히 해두자. 온도는 특정 물질을 이루고 있는 입자 운동의 세기에 관해 나타내는 지표이며, 열은 두 물체 사이의 온도 차이에 의한 에너지의 전달을 포함하는 개념이다. 위의 설명을 이어가자면 공 X가 공 Y에게 일을 해줌으로써 Y의 퍼텐셜 에너지가 증가하게 되었다. Y를 더 높은 위치로 옮기기 위해서는 일정한 양의 일이 필요하다. 이를 통해서 에너지의 전달을 위해서는 일과 열두 가지가 필요함을 알 수 있다. 공 X를 굴려 바닥까지 내려올 때는 항상 동일한 양의 퍼텐셜 에너지를 잃게 된다. 이러한 에너지는 일과 열로 나뉘기는 하지만 어떠한 비율로 나뉘는가는 공이 이동하는 경로에 따라 달라진다. 만약 공이 이동하는 경로가 매우 울퉁불퉁한, 한마디로 마찰이 매우 높다면 퍼텐셜 에너지는 대부분 마찰열로 바뀌게 될 것이다. 만약에 이러한 경우가 나타났다면 공 X가 공 Y와 부딫하더라도 공 Y가 높은 곳으로 움직이지는 못했을 것이다. 이 경우에는 아무런 일도 수행되지 않았다고 볼 수 있다. 언덕 표면의 상태와는 상관없이 전달된 전체 에너지의 경우는 언제나 일정하다. 하지만 일과 열의 양은 언제나 달라질 수 있다. 한마디로 에너지의 변화량은 경로와는 무관하지만, 열과 일의 비율은 경로에 따라 달라질 수 있다는 것이다.