Transcript context04_080909

Energy, chemistry,
and society
이영식
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 1850s
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
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
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


E=mc2

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 무
엇인가?
대답 = 두 가지 해결 방법
일(실험 2)과 열(실험 1)은 같은 효과를 얻을 수 있다.
Work and heat

일이나 열은 같은 효과를 얻을 수 있다.
일과 열은 결국 같은 종류의 것이 아닐까?

Joule은 일과 열을 모두 '에너지'라는 새로
운 개념의 한 형태로 정의
에너지는 계의 상태가 변할 때 일이나 열
의 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 움직이
는 데 필요한 일의 양




1 J은 1 kg의 책을 중력에 대해서 10 cm만큼 들어올리
는데 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 J = 1 Newton-meter
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.
연소를 통한 에너지

연료
에너지의 원료
 석탄, 목재, 천연가스, 석유 등
 구성성분을 연소시켜 열을 얻는다 (발열반응)
 연소란 연료가 산소와 결합하여 산화물을 반
들면서 열과 빛을 내는 화학반응
 연소 과정에서도 에너지는 보존된다


CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O + E
화학반응 = 결합의 재배치

화학결합
결합을 끊는데 에너지가 필요하다.
 분자에 에너지를 가해주어야 한다.
 흡열반응


화학반응
화학결합을 끊고 새로운 화학결합을 만든다
 약한 결합을 끊고 강한 결합을 만들면 에너지
가 남는다. (반응열의 발생)

화학결합과 에너지(kJ/mol)
Hydrazine synthesis reaction

N2 + 2H2 → N2H4

Energy absorbed for bond breaking


Energy released by bond making


+946 + 2 x (+436) = +1818 kJ
(-389) x 4 + (-163) = -1719 kJ
Energy change during the reaction

(+1818) + (-1719) = +99 kJ
Water Generation reaction
반응열

반응열


표준상태에서 이루어진 반응에서 발생한 열
반응열 측정
직접법 : 통열량계를 이용하여 직접 측정, 또
는 표에서 직접 계산
 간접법: 원소로부터 직접 합성이 안 되는 경우


Hess의 법칙 이용
Born-Haber cycle : 1 mol of NaCl
Energy source
Fossil Fuel

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

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
Carbon transport processes
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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)
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
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
석탄의 성분
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더 좋은 에너지 공급원
산업혁명과 더불어 대량으로 개발시작
원유 보유량보다 20-40 배
탄소, 수소, 산소, 질소, 황
석탄의 종류


역청탄
무연탄

높은 탄소함량과 낮은 유황성분
검은 액체 황금 - 석유
Oil

Petroleum


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
1950년대부터 미국의
주 에너지 공급원
액체- 송유관
농축된 에너지 공급원
으로 g 당 석탄의 4060%의 에너지를 공급
원유는 정유과정 필요
석유화학공업의 탄생
Events for oil
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



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
아시아, 유럽, 미주 지역의
각 대표 유종인 두바이, 브렌트,
WTI유
원유의 정제

원유의 정제과정




정유공장
끓는점의
분자량이
끓는점은
증류탑에서
차이를 이용
증가할수록
높아진다
부피의 단위
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
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




Asphalt and road oil 1.3 gal
Boiler oil 2.9 gal
Other 4.2 gal




Chemical products, plastics
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
 중질유를 열분해
쪼개기
 고온 고압하에서
cracking)
 촉매를 사용하여
cracking)


합성반응
수요 증가
하여 경질유인 가솔린으로
분해하는 열분해(thermal
분해하는 접촉분해(catalytic
Reforming

리포밍



옥탄가가 낮은 가솔린으로부터 옥탄가가 높은 가솔린
을 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(MTBE)
National Geographic,
2004 June issue

Bumper to Bumper
Photograph by Sarah Leen
Just off a ship, imported cars jam a
parking lot at the port of Baltimore
before trains and trucks pick them
up for delivery to dealers along the
mid-Atlantic coast and into the
Midwest. "We get a shipment like
this every day," says spokeswoman
Rebecca Barber. "More than 520
vehicle carriers unload here every
year." Around the country more than
six million cars arrive from abroad
annually, contributing to an
addiction to driving that has helped
make the U.S. the biggest consumer
of oil—and oil-based products like
gasoline—in the world.

Monster Bug
Photograph by Sarah Leen
A mechanical metamorphosis
turns a lowly VW into a big
attraction at the 16th Annual
Summer 4-Wheel Jamboree
Nationals in Bloomsburg,
Pennsylvania. More than 3,000
custom vehicles came to showand-shine or to race, attracting
some 56,000 spectators.
"Americans have always had a
love affair with automobiles,"
says organizer Doc Riley.
Owners of customized cars and
trucks express their devotion by
spending 27 billion dollars a
year on additional parts

The Hummer Mystique
Photograph by Sarah Leen
"This is my everyday vehicle," says
this Hummer lover, who puts 40,000
miles (60,000 kilometers) a year on
her H1 running errands that include
a fast-food stop for lunch near her
bicycle shop in an Atlanta, Georgia,
suburb. Two years ago she bought
the Hummer as a cool, outdoor
come-on for the business.
"Everyone's reaction is still, Wow!
she says. "A lot of people want to
sit in it." With two small children,
she also likes the safety that such a
big vehicle offers. The price?
$110,000, plus $60 of diesel every
three or four days—worth every cent,
as far as Linda is concerned.

Oil Underwater
Photograph by Sarah Leen
One hundred twenty miles (200
kilometers) off the Louisiana coast,
the drill ship Discoverer Enterprise
prepares for production to begin at
BP's Thunder Horse oil field in 2005.
As six giant thrusters hold the ship
in place, its crew punches wells into
the seabed 7,000 feet (2,000 meters)
below. With an estimated one billion
barrels of crude, this field could
represent the biggest discovery yet
in the Gulf of Mexico. Developments
in offshore drilling have allowed oil
companies to work in deeper and
deeper waters. The new world
record—at 10,011 feet (3,050
meters)—was set in the Gulf in
November 2003.

What Lies Beneath
Photograph by Sarah Leen
The wellhead is just the tip of the iceberg
at an oil storage cavern in Bryan Mound,
Texas, where an employee of the
Strategic Petroleum Reserve (SPR) does
routine monitoring. Beneath the wellhead
is an underground salt cavern the size of
the Empire State Building. The SPR, the
largest such reserve in the world, began
operations in 1977 as an emergency
crude oil storage site, ready to be drawn
on should a disruption in commercial oil
supplies pose a threat to the U.S.
economy. Located at four sites in Texas
and Louisiana, the reserve can hold up to
700 million barrels of crude oil. Should
the need arise, a maximum of 4.3 million
barrels of oil a day can be tapped from
the reserve for 90 days. And delivery is
swift. Once the President gives the goahead, oil can be on the U.S. market in
13 days.
대체 물질
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수성가스
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

합성 가솔린
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이산화탄소의 효과적인 흡수제
에탄올
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
Fischer-Tropsch 법
일산화탄소 + 수소기체 + 철 혹은 코발트 촉매
→ 탄화수소(C5-C8) 합성
목재


수증기를 뜨거운 코크스 위로 흘려 발생하는 일산화탄소와 수소의 혼합
물
C + H2O(g) → CO(g) + H2 (g)
전분, 설탕 등 탄수화물의 발효
가솔린과 혼합하면 가소올 연료
순수한 메탄올 엔진 = 경주용 자동차
쓰레기 소각
미생물 메탄 발생기
에너지 보존
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화석연료의 중요성
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전력은 주요한 에너지 소비
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화학약품의 합성에 필요한 다양한 재료를 연료로 태
워버리고 있다
보다 효율적인 발전소
발전된 전기의 절약
재활용, 신공정 – 알루미늄 캔 한 개의 재활용으로 얻
어지는 에너지로 3시간 동안 TV를 볼 수 있다.
운송수단의 변화
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

대중 교통수단
친환경적인 운송수단
연비(miles per galon, mpg) 비교 – 표 4.5
References

http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem
3/medialib/media_portfolio/09.html


http://blueox.uoregon.edu/~courses/dlivelyb/ph161/
home.html
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Physics and energy
http://www.chem.lsu.edu/htdocs/people/lgbutler/120
2_Fall96/WebInit/Ch9_Bonds.html


Pub graphics of general chemistry book
Bond energy
http://jove.geol.niu.edu/faculty/fischer/105_info/105_
E_notes/lecture_notes/Fossil_Fuels/FF_part5.html

Fossil feuls