[5강 에너지] 열에너지와 활성화 에너지

1. 열에너지란

 에너지란 일을 할 수 있는 능력이다. 우리는 일상 생활 속에서 여러가지 형태로 존재하는 에너지를 발견할 수 있는데, 달리는 자동차, 조깅하는 사람, 내리쬐는 태양 등 어디에서나 에너지가 작용하고 있다. 그 중 열에너지는 비교적 친숙한 형태의 에너지이다. 끓는 물에서 나오는 김은 액체 상태의 물이 기체 상태의 수증기로 변환된다는 것을 보여주는 증거이다. 하지만, 끓고 있는 물은 열을 가할 때 나타나는 표면적인 변화에 불과하다. 실질적인 움직임은 분자 수준으로 일어난다. 열에너지는 위치 에너지와 운동 에너지의 합으로 나타낼 수 있는 계의 내부 에너지이다. 열에너지를 측정할 수 있는 방법으로는 온도측정이 있는데, 물질의 온도가 높을수록 입자들의 운동이 더 활발하다. 물이 끓으면 에너지를 얻어 계의 열에너지가 증가하고, 온도가 100도에 도달하면 상태 변화가 일어나는데, 이는 물 분자의 운동에너지가 분자 사이의 결합을 깨고 표면 밖으로 물 분자가 튀어나올만큼 커졌다는 것을 의미한다.

 

2. 에너지의 전이

 에너지 보존법칙에 의하면, 에너지는 사라지지 않는다. 고립계에서 에너지의 총량을 같다는 소리다. 에너지는 새로 만들어지지도, 소멸하지도 않기에 에너지의 총량은 일정하나 에너지의 형태는 얼마든지 변할 수 있다. (예를 들어, 롤러코스터가 내려가면 위치 에너지가 운동 에너지로 변환되는 것과 같은 이치이다. 반면 롤러코스터가 올라간다면? 운동 에너지가 위치 에너지로 변환된다.) 또한 에너지는 한 곳에서 다른 곳으로 이동할 수 있는데, 전이라 부른다. 에너지의 전이에는 대류, 전도, 복사 세 가지의 방법이 있다.

 

1) 대류(convection) 

 액체나 기체의 흐름으로 열이 전달되는 것을 대류(convection)이라고 한다. 가스레인지 위에 물을 살펴보면, 열원(가스불)에 가까울수록 물이 더 따뜻해지고, 밀도는 작아지면서 냄비 위쪽으로 올라간다. 동시에 밀도가 큰 차가운 물은 바닥으로 내려간다. 열은 언제나 온도가 높은 곳에서 낮은 곳로 이동하는데, 따뜻한 물이 차가운 물을 만나면서 열이 위쪽으로 전달되는 것이다. 이러한 대류 현상은 방 안의 데워진 공기에서도 일어나고, 나아가 지구의 대기 내에서도 일어난다.

 

2) 전도(conduction)

 대류와 달리 전도는 원자에서 원자로, 분자에서 분자로 열이 전이될 때 일어난다. 원자와 분자들이 서로 충돌하면서 운동에너지의 전이가 이루어진다.

 

3) 복사(radiation)

 복사를 통해 열 에너지가 전이되는 가장 좋은 예는 바로 햇빛이다. 태양에서 나온 복사에너지는 1억 4600만km가 넘는 거리를 이동해 지구에 도착한다. 태양의 복사에너지는 전자기파의 형태로 전달되며, 대류의 전도와 달리 액체, 기체, 고체와 같은 매질을 필요로 하지 않아 진공 상태의 우주 공간에서도 전달된다.

 

전이의 세 가지 방법, 대류와 전도, 복사가 한꺼번에 나타날 수 있는 예. 단, 복사는 매질을 필요로 하지 않는다는 점!

3. 활성화 에너지에 관하여

 활성화 에너지란 특정한 화학 반응이 시작되기 위해 필요한 최소한의 에너지를 말한다. 반응이 활성화 에너지를 얻어 에너지의 장벽을 넘고나면, 그 이후의 반응 속도는 온도나 압력, 또는 액체나 기체의 농도에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 반응 속도를 조절하는 것은 화학 물질 제조에 있어 매우 중요할 것이다.

 

1) 반응 속도를 빠르게 하려면?

 열에너지를 반응물에 가하면 반응물의 반응속도를 높일 수 있다. 반응물이 반응하여 생성물이 되기 위해서는, 분자들이 충분한 에너지를 가진 상태로 서로 만나 충돌해야 하는데 반응물의 분자들이 가열되면 운동 에너지가 증가한다. 이렇게 분의 속도가 빨라지면 분자들이 충돌하는 빈도가 증가하고 결과적으로 반응속도가 빨라지는 원리이다. 액체의 경우 반응물의 농도를 증가시키면 반응하는 분잗자들이 충돌할 확률이 높아지면서 전체적인 반응속도가 빨라진다.

 촉매(catalyst)의 경우는 반응물이나 생성물에 변화를 주지 않고 반응 속도를 증가시키는 물질이다. 촉매는 반응물 중 하나와 결합하여 다른 반응물과 반응하기 더 쉽게 만들어준다. 대표적인 예로는 효소가 있다. 효소는 생체 촉매로서 매순간 우리 몸에서 일어나는 무수한 화학반응을 돕는다.

 

2) 반응 속도를 느리게 하려면?

 억제제(inhibitor)는 촉매의 반대 효과를 낸다.(부촉매, negative catalyst라고도 한다.) 반응을 억제하여 속도를 늦추고 경우에 따라 반응을 완전히 머멈추게 하기도 한다. 억제제는 효소의 활성을 줄이고, 효소가 자신의 특정 기질과 결합하는 것을 막는다.

정촉매와 부촉매에 따른 활성화에너지. 정촉매는 활성화 에너지를 줄여서, 부촉매는 활성화 에너지를 늘려서 반응 속도를 조절한다.