에너지, 실생활에 필요한 열과 전기적, 기계적 에너지 공급

에너지, 실생활에 필요한 열과

전기적, 기계적 에너지 공급

 

 

에너지란 일(작업)을 할 수 있는 힘을 뜻한다. 그 어원은 그리스어인 ‘에르곤’에서 나왔는데 ‘에네르게이아’이며, ‘일을 하는 능력’이라고 정의된다.

불의 발견, 증기기관의 발명 등 에너지이용은 인류문명을 빠른 시간 안에 비약적으로 발전시켰다. 18세기부터 19세기에 걸친 산업혁명을 ‘에너지혁명’이라고 일컬으며 근대과학기술의 눈부신 발전을 ‘에너지기술의 발전’이라고 보면 거의 틀림없을 것이다.

에너지는 빛, 동력, 연료로서 인간에게 많은 일을 해 주었고 인류 문명의 발달을 뒷받침하였다. 오늘날 전자·정보화사회 시대가 열리고 자동차, 에어컨, VTR, 인공위성 등이 작동되어 우리의 경제, 문화활동을 보다 더 편리하게 지탱해 주고 있다.

이처럼 윤택한 생활과 눈부신 사회발전을 가능케 해 준 원동력이 바로 에너지인 것이다. 이 사실은 과거와 현재에도 그러했듯이 미래에도 역시 그러할 것이다.

에너지의 형태는 그 관점에 따라 여러 가지로 달리 분류할 수 있다. 먼저 에너지를 그 본질에 따라 분류하면 외부에너지, 내부에너지, 열에너지, 기계적 에너지, 화학에너지, 핵에너지 등으로 나눠진다. 이들 에너지는 각기 특성을 지니고 있을 뿐만 아니라 서로 변환(變換 : Conversion)되면서 우리의 실생활에 필요한 열과 전기적, 기계적 에너지를 공급한다.

 

 

외부(外部: External)에너지

 

외부에너지란 물체의 운동 및 위치와 관계되는 에너지로 운동(運動: Kinetic)에너지와 위치(位置: Potential)에너지로 구성되어 있다. 어떤 속도로 운동하고 있는 물체는 다른 물체에 힘을 미쳐서 일을 할 수 있는 운동에너지(E=1/2 mv2: m -질량, v -속도)를 가진다. 또 높은 곳에 있는 물체는 그 높이에 상응하는 위치에너지(E=mgh: m -질량, g -중력의 가속도, h -높이)를 가지고 있고, 이 물체가 지상으로 낙하하는 경우 높이가 점점 줄어들면서 위치에너지는 감소하는 반면 물체의 낙하속도는 가속되어 운동에너지가 증가한다. 지상에서 발사된 인공위성이 일정한 고도의 궤도로 진입하는 과정은 운동에너지가 위치에너지로 바뀌는 예이다.

 

 

내부(內部: Internal)에너지

 

내부에너지란 물체 및 어떤 계(系: System)를 구성하는 분자들의 에너지를 말한다. 밀폐된 용기(계) 내에 들어 있는 공기에 대하여 외부에서 열을 가하면, 공기분자들의 운동에너지를 증가시켜 결국 계의 온도가 상승한다. 이 경우 가해진 열에너지는 계 내 공기의 내부에너지로 변환되면서 온도를 상승시키는 결과를 나타낸다. 또 온수로 난방을 하는 경우를 생각해 보면, 온수의 내부에너지는 열에너지로 변형되어 물에서 방안의 공기로 이동되고, 전달된 열은 공기의 내부에너지를 증가시키는데 쓰여 결국 실내 온도가 상승하는 것이다.

 

 

열(熱: Thermal)에너지

 

열(熱: Heat) 또는 열에너지는 온도차이가 있는 두 물체 사이에서 이동되는 에너지로, 더 뜨거운 물체에서 더 찬 물체로 전달되는 때에만 존재한다. 기체나 수증기의 팽창특성을 이용하면 열을 기계적 에너지로 변환시킬 수 있다. 가스터빈이나 증기터빈은 열에너지를 더 유익한 기계적 에너지로 변환시키는 장치이다.

 

 

기계적 에너지

 

기계적 에너지는 기체의 압축 팽창에 의한 일과 축(軸)의 회전에 의한 일로 구분된다. 전자의 예는 자동차 피스톤의 왕복운동에서 또 후자의 예는 증기터빈의 축회전에서 찾아볼 수 있다. 열기관은 열에너지를 기계적에너지로 변환시키는 장치로 자동차, 증기기관, 가스터빈 및 증기터빈은 모두 열기관이다.

 

 

화학에너지

 

화학에너지란 화학종(化學種)을 구성하고 있는 분자 내 원자 간의 결합에너지 및 위치에너지를 말한다. 석탄, 석유, 천연가스 등을 비롯한 각종 물질은 그 분자를 구성하는 원자의 종류와 결합구조에 따라서 각기 다른 화학에너지를 가지고 있다. 화학에너지는 연소(燃燒) 또는 다른 화학반응을 통하여 에너지 수준이 높은 화학종에서 낮은 화학종으로 변화하면서 그 차이에 해당하는 에너지를 열에너지의 형태로 방출한다. 자동차, 항공기, 로켓 등은 연료의 화학에너지를 열에너지로 거쳐 우리 생활에 유익한 기계적 에너지로 변환시키는 장치들이다.

 

 

핵(核: Nuclear)에너지

 

핵에너지는 원자의 핵을 구성하는 양자(陽子), 중성자(中性子) 등 입자 간 결합력의 형태로 저장되어 있고, 이는 핵분열 또는 핵융합 과정을 통하여 열에너지의 형태로 변환된다. 무겁고 불안정한 하나의 원자핵이 중성자에 의하여 두 개의 비슷한 원자핵으로 쪼개지면서 수반되는 질량결손(缺損)에 해당하는 막대한 열에너지(E=mc2: m 질량결손, c 빛의 속도)를 방출하는 것을 핵분열(分裂: Fission)이라 한다.

반면에 핵융합(融合: Fusion)은 두 개의 가벼운 원자핵이 융합하여 더 무거운 하나의 원자핵으로 변하는 것으로, 이 과정에서 역시 질량결손이 생기면서 막대한 열에너지가 방출된다.

이밖에도 압축된 스프링에 내재된 탄성(彈性)에너지, 태양광선 등이 갖고 있는 방사(放射)에너지, 전압차이에 의한 전기(電氣)에너지 등이 있다. 다음에 에너지를 그 자원(資源: Resourc) 면에서 분류하면 고체(주로 석탄), 액체(주로 석유), 기체(주로 천연가스)연료와 수력(水力), 핵(核), 전기(電氣), 태양, 생물(生物: Biomass), 풍력(風力), 해양(海洋), 지열(地熱)에너지 등으로 나누어진다. 특히 고대생물의 지구화학적 변화로 생성된 석탄, 원유, 천연가스 등을 통틀어 화석연료(化石燃料: Fossil Fuel)라 한다.

화석연료나 핵연료처럼 한번 사용하면 없어지고 마는 고갈성(枯渴性)에너지와 달리 수력, 태양, 생물, 풍력, 해양, 지열에너지처럼 사용해도 자연적으로 재생되는 것을 재생(再生: Renewable)에너지라 한다. 또한 에너지를 그 자원으로부터 최종소비까지의 흐름이란 면에서 분류하면 1차, 2차 및 최종에너지 등으로 나누어진다.

1차(Primary)에너지는 어떤 변환도 하지 않은 에너지로서 직접 에너지로 쓸 수 있는 것은 그 자체, 일정한 생산과정을 거쳐야 에너지로 사용할 수 있는 것은 그 과정이 완료된 산출물을 뜻하고 여기에는 화석연료 즉 석탄, 원유, 천연가스(LNG 포함)와 수력, 핵, 태양, 생물, 풍력, 해양, 지열에너지 등이 포함된다. 2차(Secondary)에너지는 1차에너지의 변환으로 생산되는 에너지(전력과 각종 석유제품 등)를 말하고 최종(最終: Final)에너지는 유용한 에너지(열, 빛, 동력 등)로 사용할 수 있게끔 소비자에게 공급되는 에너지이다.

[출처] Special Report - 에너지 종합 보고서 1: 에너지, 실생활에 필요한 열과 전기적, 기계적 에너지 공급 (월간 전기산업) |작성자 무지개별