[5강 에너지] 화석연료와 전기
1. 화석연료에 대하여
천연가스, 석탄, 석유 등의 화석 연료는 고생대에 지구를 뒤덮었던 식물과 동물, 미생물의 잔해이다. 2억 5천만 년 전에 동식물이 죽으면서 그 잔해가 호수, 늪, 바다 등에 가라앉아 토탄(peat)이라는 부드러운 물질로 분해되었다. 시간이 흐르면서 그 위에 여러 겹의 지층이 쌓이고, 쌓인 지층의 무게로 인해 수분이 빠져나가면서 탄소 성분만 남게 되었다.
산업혁명이 일어남에 따라 공장을 가동시킬 수 있는 어마어마한 양의 연료가 필요하게 되자, 사람들은 두꺼운 지층을 파서 기름을 채취하고, 석탄이 풍부한 지층을 찾기 위해 산속 깊숙이 탄광을 뚫었으며, 천연가스를 얻기 위해 두꺼운 바위 층을 뚫었다. (이러한 연료들은 대부분이 탄소와 수소원소로 이루어졌기 때문에 화학명으로는 탄화수소로 불린다.) 이렇게 어렵게 채취한 화석연료는 많은 양의 에너지를 보유하고 있으나, 그들의 화학결합을 깨트릴만큼 충분히 강한 반응이 일어나야 에너지가 방출된다. 대표적인 방법이 바로 연소이다.
2. 화석연료의 연소
이론적으로 화석연료는 비교적 오염 물질을 적게 배출하면서 타는데, 이는 일반적인 탄화수소의 경우 산소와 만나 연소할 때에 이산화탄소와 물, 열만을 방출하기 때문이다. 하지만 이런 화합물들이 순수한 형태로 자연에 있는 경우가 드물기 때문에 실제로 이렇게 깨끗하게 연소하지는 않는다. 예를 들어 이산화황, 수은, 질소산화물 같이 독성인 것들이 나올 수 있고 이 물질들은 사람이나 동물은 물론 자연에 해로운 영향을 준다. (하지만 천연가스의 경우, 연소 생성물이 비교적 깨끗하고, 이산화탄소 배출량도 적다.) 화석연료는 재생불가능한 자원이다. 자연이 새로운 화석연료를 만드는 데 필요한 시간은 3억년 정도이기 때문에, 되도록 에너지를 절약해야한다.
3. 전기의 시작은 전자로부터
전기하면 에디슨이 떠오르지만, 전기를 발생시키고 조절하고 사용하는 개념을 한 람이 창안했다고 하기는 어렵다. 오랜시간 많은 사람들의 관찰과 발명들이 축적되어 현재까지 왔다고 하는 편이 가장 알맞다.
전기의 시작은 매우 작고, 들뜬상태의 전자로부터이다. (이전 포스팅의 모든 것을 결정하는 전자가 생각난다.) 우주에 존재하는 모든 물질의 근본이 되는 워자의 주위를 맹렬하게 돌고 있는 전자들은 음전하를 띠고 있다. 핵에서 가장 가까운 전자는 핵으로부터 가장 강한 인력을 받고 있으며, 핵으로부터 가장 멀리 떨어져있는 전자 껍질에 있는 전자나 전자구름은 상대적으로 약한 인력을 받는다. 전자들은 주변에 다른 원자가 있을 경우 인력에 이끌려 옮겨갈 수 있는데, 이러한 전자의 흐름에 내재되어 있는 에너지를 전기(electricity)라고 하는 것이다. 금속이 좋은 전기 전도체인 이유는, 금소 원자들이 전자를 상대적으로 느슨하게 붙잡고 있어 쉽게 전자를 잃어버리기 때문이다.
4. 전자의 흐름
서로 다른 전하 사이에서는 인력이 발생한다. 반대로, 서로 같은 전하 사이에서는 반발력이 작용한다. 원자가 전자를 하나 잃으면, 양성자의 양전하보다 음전하가 하나 적어지므로 전체적으로 양전하를 띠게 된다. '이온'이라 불리는 이 양전하를 띤 입자는, 다시 전하의 균형을 맞추기 위해 자유 전자 형태로 있는 다른 음전하를 끌어당기고, 이런 식으로 전자의 흐름이 지속되는 것이다.