太陽태양 에너지와 에너지 轉換전환

◁ 溫室效果온실효과 ｜ 10tonggwa2-0205 ▷
【深化심화】별의 進化진화

■ 10統통科과2-02-04: 太陽태양에서 水素수소 核融合핵융합 反應반응을 통해 質量질량 一部일부가 에너지로 바뀌고, 그중 一部일부가 地球지구에서 에너지 흐름을 일으키며 多樣다양한 에너지로 轉換전환되는 過程과정을 推論추론할 수 있다.

太陽태양의 에너지원

바람이 불고, 비가 내리고, 植物식물이 자라고, 石炭석탄을 태워 電氣전기를 만드는 일은 서로 다른 現象현상처럼 보입니다. 그러나 그 에너지가 어디서 왔는지를 거슬러 올라가면 대부분 太陽태양에 닿고, 太陽태양의 에너지는 다시 太陽태양 中心중심에서 水素수소가 헬륨으로 바뀌며 사라지는 質量질량에 닿습니다. 質量질량이 에너지로 바뀌고, 그 에너지가 宇宙우주 空間공간을 건너와 地球지구에서 여러 形態형태로 轉換전환되는 過程과정을 차례로 따라가 보겠습니다.

太陽태양의 基本기본 情報정보

化學화학 反應반응으로는 說明설명할 수 없는 에너지

19世紀세기 科學者과학자들에게 太陽태양의 에너지원은 難題난제였습니다. 太陽태양이 石炭석탄으로 이루어져 타고 있다고 假定가정하면 지금의 밝기로는 수천 秊년 만에 다 타 버립니다. 켈빈과 헬름홀츠는 太陽태양이 자기 重力중력으로 收縮수축하면서 位置위치 에너지를 熱열로 바꾼다고 보았는데, 이 方式방식으로도 太陽태양의 나이는 수천만 秊년에 그쳤습니다. 地質學지질학과 進化論진화론이 要求요구하는 수억 秊년에 크게 모자랐습니다.

실마리는 20世紀세기에 아인슈타인의 質量질량-에너지 等價등가 原理원리에서 나왔습니다. 1920秊년 에딩턴은 水素수소 原子核원자핵 4個개가 헬륨 原子核원자핵 1個개로 바뀔 때 質量질량이 조금 줄어드는 데 注目주목하여 이것이 太陽태양의 에너지원일 수 있다고 提案제안했습니다. 1939秊년 베테가 太陽태양 內部내부에서 일어나는 核融合핵융합 反應반응의 具體的구체적인 段階단계를 밝혔습니다.

質量질량-에너지 等價등가

아인슈타인의 特殊특수 相對性상대성 理論이론(「特殊 相對性 理論」)에 따르면 質量질량과 에너지는 서로 바뀔 수 있습니다.

$c$는 빛의 速力속력으로 약 $3 \times 10^8$ m/s입니다. $c^2$이 $9 \times 10^{16}$이나 되므로 아주 작은 質量질량도 莫大막대한 에너지에 該當해당합니다. 質量질량 1 g이 모두 에너지로 바뀌면 약 $9 \times 10^{13}$ J로, 대형 發電所발전소가 하루 남짓 生産생산하는 電力量전력량에 맞먹습니다.

水素수소 核融合핵융합 反應반응

核融合핵융합의 條件조건

水素수소 原子核원자핵은 陽性子양성자 하나로 이루어져 陽양電荷전하를 띱니다. 두 陽性子양성자가 합쳐지려면 서로 밀어내는 電氣力전기력을 이기고 核力핵력이 作用작용하는 아주 짧은 距離거리까지 다가가야 합니다. 그러려면 原子核원자핵들이 매우 빠르게 움직여야 하고, 이것이 核融合핵융합에 超高溫초고온이 필요한 理由이유입니다. 또 原子核원자핵끼리 자주 부딪쳐야 하므로 密度밀도도 높아야 합니다.

太陽태양의 中心중심은 重力중력으로 壓縮압축되어 溫度온도가 약 1,500萬만 K, 密度밀도가 물의 100倍배를 넘습니다. 이 溫度온도에서 原子원자는 電子전자와 原子核원자핵이 떨어진 플라스마 狀態상태가 됩니다. 古典고전 物理學물리학으로 計算계산하면 이 溫度온도로도 電氣的전기적 斥力척력을 넘기에 모자라지만, 量子양자 力學역학의 터널 效果효과 덕분에 一部일부 陽性子양성자가 障壁장벽을 通過통과하여 融合융합합니다.

陽性子양성자-陽性子양성자 連鎖연쇄 反應반응

太陽태양 에너지의 대부분은 다음 세 段階단계의 陽性子양성자-陽性子양성자 連鎖연쇄 反應반응(p-p 連鎖연쇄 反應반응)에서 나옵니다.

먼저 陽性子양성자 두 個개가 만나 그중 하나가 中性子중성자로 바뀌면서 重水素중수소(陽性子양성자 1個개와 中性子중성자 1個개)가 되고, 이때 陽電子양전자($e^+$)와 中性微子중성미자($\nu_e$)가 나옵니다. 重水素중수소는 陽性子양성자를 하나 더 받아 헬륨-3이 되면서 감마선($\gamma$)을 내놓습니다. 마지막으로 헬륨-3 두 個개가 만나 헬륨-4가 되고, 陽性子양성자 두 個개가 다시 풀려납니다.

3段階단계가 한 番번 일어나려면 1·2段階단계가 各各각각 두 番번씩 일어나야 합니다. 전체를 합하면 水素수소 原子核원자핵 4個개가 헬륨 原子核원자핵 1個개로 바뀌는 反應반응이 됩니다.

陽性子양성자가 中性子중성자로 바뀌는 1段階단계는 弱약한 相互作用상호작용에 依의한 過程과정이어서 매우 드물게 일어납니다. 陽性子양성자 하나가 이 反應반응을 겪기까지 平均평균 수십억 秊년이 걸릴 程度정도입니다. 이 段階단계가 느리기 때문에 太陽태양은 水素수소를 한꺼번에 태워 버리지 않고 100億억 秊년 가까이 安定的안정적으로 빛날 수 있습니다.

太陽태양보다 무겁고 中心중심 溫度온도가 높은 別별에서는 炭素탄소·窒素질소·酸素산소를 觸媒촉매처럼 써서 水素수소를 헬륨으로 바꾸는 CNO 循環순환이 주된 에너지원이 됩니다. 太陽태양에서 CNO 循環순환이 차지하는 比重비중은 1% 內外내외입니다.

質量질량 缺損결손

反應반응 前後전후의 質量질량을 비교해 보겠습니다. 原子원자 質量질량 單位단위(u)로 나타내면 水素수소 原子원자 1個개는 약 1.0078 u, 헬륨-4 原子원자 1個개는 약 4.0026 u입니다.

反應반응 뒤에 質量질량이 약 0.029 u, 比率비율로는 약 0.7% 줄어듭니다. 이처럼 核反應핵반응 뒤에 줄어든 質量질량을 質量질량 缺損결손이라 하며, 質量질량 缺損결손만큼의 에너지가 $E=mc^2$에 따라 放出방출됩니다. 한 番번의 反應반응에서 나오는 에너지는 약 26.7 MeV입니다.

水素수소 1 kg이 헬륨으로 바뀌면 약 7 g의 質量질량이 사라집니다.

石炭석탄 1 kg을 태울 때 나오는 에너지가 약 $3 \times 10^7$ J이므로, 같은 質量질량으로 核融合핵융합은 化學화학 反應반응인 燃燒연소보다 약 2,000萬만 倍배 많은 에너지를 냅니다. 燃燒연소는 原子원자 사이의 電子전자 配置배치가 바뀌는 反應반응이고, 核融合핵융합은 原子核원자핵 自體자체가 바뀌는 反應반응이기 때문입니다. 燃燒연소에서도 原理的원리적으로 質量질량이 줄어들지만 그 比率비율이 十億십억분의 1 程度정도에 그쳐 測定측정하기 어렵습니다.

太陽태양이 1秒초에 잃는 質量질량

太陽태양의 光度광도로부터 1秒초에 사라지는 質量질량을 구할 수 있습니다.

太陽태양은 1秒초마다 약 420萬만 t의 質量질량을 에너지로 바꾸고 있습니다. 質量질량 缺損결손이 0.7%이므로, 이를 위해 1秒초에 약 6億억 t의 水素수소가 헬륨으로 바뀝니다. 엄청난 量양이지만 太陽태양의 全體전체 質量질량에 비하면 아주 작아서, 太陽태양이 46億억 秊년 동안 잃은 質量질량은 全體전체의 0.1%에도 미치지 못합니다. 太陽태양은 앞으로도 약 50億억 秊년 동안 中心部중심부에서 水素수소 核融合핵융합을 이어 갈 것으로 豫想예상됩니다.

中心중심에서 表面표면까지

中心중심에서 만들어진 에너지가 宇宙우주로 나가기까지는 긴 旅程여정을 거칩니다.

輻射層복사층에서는 빛이 아주 짧은 距離거리를 가다 粒子입자에 흡수되고, 다시 任意임의의 方向방향으로 放出방출됩니다. 이런 걸음이 無數무수히 되풀이되므로, 中心중심에서 생긴 에너지가 表面표면에 이르기까지는 수만 秊년에서 십수만 秊년이 걸리는 것으로 推定추정됩니다. 그 사이 감마선으로 出發출발한 에너지는 점점 波長파장이 긴 빛으로 바뀌어, 光球광구에서는 주로 可視光線가시광선과 赤外線적외선으로 放出방출됩니다. 光球광구를 떠난 빛은 약 8分분 20秒초 만에 地球지구에 닿습니다.

反面반면 1段階단계에서 나온 中性微子중성미자는 物質물질과 거의 相互作用상호작용하지 않아 太陽태양을 곧바로 빠져나와 약 8分분 만에 地球지구를 지나갑니다. 太陽태양 中心중심을 直接직접 들여다볼 수 있는 手段수단이어서, 1960秊代년대부터 地下지하 深部심부에 巨大거대한 檢出器검출기를 두고 太陽태양 中性微子중성미자를 觀測관측해 太陽태양의 에너지원이 核融合핵융합임을 確認확인했습니다.

地球지구에 到達도달하는 太陽태양 에너지

地球지구가 받는 몫

太陽태양은 모든 方向방향으로 고르게 에너지를 내보내므로, 地球지구가 받는 에너지는 그 가운데 아주 작은 部分부분입니다. 太陽태양에서 地球지구까지의 距離거리를 半반지름으로 하는 巨大거대한 球面구면을 想像상상하면, 地球지구가 받는 몫은 그 球面구면 넓이에서 地球지구의 斷面단면이 차지하는 比率비율입니다.

太陽태양이 내보내는 에너지의 약 22億억분의 1만이 地球지구에 닿는 셈입니다.

地球지구 大氣대기의 위쪽 끝에서 太陽태양 빛에 垂直수직인 1 m²의 넓이가 1秒초 동안 받는 太陽태양 에너지를 太陽태양 常數상수라 하며, 그 값은 약 1,361 W/m²입니다. 여기에 地球지구의 斷面積단면적을 곱하면 地球지구 全體전체가 받는 太陽태양 에너지는 약 $1.7 \times 10^{17}$ W가 됩니다. 人類인류가 한 해 동안 쓰는 一次일차 에너지는 약 $6 \times 10^{20}$ J 內外내외로, 地球지구가 한 시간 남짓 받는 太陽태양 에너지와 비슷합니다.

地球지구는 球구 模樣모양이고 自轉자전하므로, 地球지구 表面표면 1 m²가 平均的평균적으로 받는 太陽태양 에너지는 太陽태양 常數상수의 4분의 1인 약 340 W/m²입니다. 받는 넓이가 斷面단면($\pi R^2$)이고 表面積표면적이 그 4倍배($4\pi R^2$)이기 때문입니다.

흡수된 에너지의 行方행방

大氣대기 위쪽에 들어온 太陽태양 에너지 가운데 약 30%는 구름과 地表지표에 反射반사되어 宇宙우주로 돌아가고, 나머지 약 70%가 大氣대기와 地表지표에 흡수됩니다. 地球지구는 흡수한 만큼을 赤外線적외선으로 다시 내보내 輻射平衡복사평형을 이루며, 이 過程과정과 緯度위도에 따른 에너지 不均衡불균형은 「溫室效果」에서 다룹니다.

이 글에서 注目주목할 것은 흡수된 에너지가 다시 빠져나가기 전에 무엇을 하는가입니다. 地表지표에 흡수된 에너지의 相當상당 部分부분은 赤外線적외선으로 곧바로 나가지 않고 물을 蒸發증발시키는 데 쓰이며, 그 양은 들어온 太陽태양 에너지의 약 4분의 1에 이릅니다. 일부는 바람과 海流해류를, 아주 일부는 生物생물을 움직인 뒤에 熱열이 되어 宇宙우주로 빠져나갑니다.

地球지구에서의 에너지 흐름과 轉換전환

地球지구에 들어온 太陽태양 에너지는 大氣대기·水수圈권·生物생물圈권·地지圈권을 거치며 여러 形態형태로 바뀝니다. 바뀌는 形態형태는 달라도 出發點출발점은 太陽태양의 빛 에너지입니다.

물의 循環순환

太陽태양 에너지를 받은 바닷물이 蒸發증발하면 빛 에너지는 水蒸氣수증기의 潛熱잠열로 바뀝니다. 水蒸氣수증기가 上昇상승하면 높은 곳에서 位置위치 에너지를 갖게 되고, 凝結응결하여 구름이 될 때 潛熱잠열을 熱열 에너지로 放出방출합니다. 비와 눈이 되어 산 위에 내린 물은 位置위치 에너지를 가지며, 이 물이 흘러내리면 運動운동 에너지로 바뀌어 地表지표를 깎고 運搬운반합니다.

大氣대기의 運動운동과 바람

地表지표가 고르지 않게 加熱가열되면 氣溫기온과 氣壓기압의 차이가 생기고, 空氣공기가 高氣壓고기압에서 低氣壓저기압으로 움직이며 바람이 붑니다. 熱열 에너지가 空氣공기의 運動운동 에너지로 바뀐 것입니다. 大氣대기가 흡수한 太陽태양 에너지 가운데 바람의 運動운동 에너지로 바뀌는 것은 1~2% 程度정도로 推定추정되지만, 그 總量총량은 人類인류의 에너지 使用量사용량보다 훨씬 큽니다.

바람이 바다 위를 불면 運動운동 에너지 一部일부가 海水해수로 옮겨 가 波濤파도와 表層표층 海流해류를 만듭니다. 颱風태풍은 따뜻한 바다에서 蒸發증발한 水蒸氣수증기의 潛熱잠열을 주된 에너지원으로 하여 發達발달하므로, 그 破壞力파괴력도 거슬러 올라가면 太陽태양 에너지입니다.

光合成광합성과 生態系생태계

植物식물과 藻類조류는 光合成광합성으로 빛 에너지를 化學화학 에너지로 바꾸어 葡萄糖포도당 같은 有機物유기물에 貯藏저장합니다. 光合成광합성의 反應반응 自體자체는 「酸化還元」에서 다룹니다.

光合成광합성의 에너지 轉換전환 效率효율은 높지 않습니다. 받은 太陽태양 에너지 가운데 有機物유기물에 貯藏저장되는 比率비율은 理論的이론적으로도 수 %에 그치고, 實際실제 農作物농작물에서는 1% 內外내외입니다. 빛의 一部일부 波長파장만 흡수할 수 있고, 光合成광합성의 여러 段階단계와 植物식물 自身자신의 呼吸호흡에서 에너지가 熱열로 빠져나가기 때문입니다. 地球지구 全體전체로 보면 光合成광합성이 붙잡는 에너지는 地球지구가 받는 太陽태양 에너지의 0.1%에도 못 미치지만, 그 量양은 人類인류의 에너지 使用量사용량의 몇 倍배에 이릅니다.

有機物유기물에 貯藏저장된 化學화학 에너지는 먹이 關係관계를 따라 消費者소비자에게 옮겨 가며, 그 過程과정은 「生態系平衡」의 에너지 피라미드에서 다룹니다.

生物생물이 筋肉근육을 움직이면 化學화학 에너지가 運動운동 에너지로, 體溫체온을 維持유지하면 熱열 에너지로, 神經신경이 信號신호를 보내면 電氣전기 에너지로 바뀝니다. 반딧불이가 빛을 내는 것은 化學화학 에너지가 다시 빛 에너지로 바뀌는 例예입니다.

化石화석 燃料연료

石炭석탄·石油석유·天然천연가스는 주로 古生代고생대와 中生代중생대의 生物생물이 땅속에 묻혀 高溫고온·高壓고압을 받으며 變변한 것입니다. 石炭석탄은 주로 陸上육상 植物식물에서, 石油석유와 天然천연가스는 주로 바다의 플랑크톤에서 由來유래했습니다. 수억 秊년 전 光合成광합성으로 有機物유기물에 貯藏저장된 太陽태양 에너지가 땅속에 갇혀 있다가 오늘날 燃燒연소를 통해 다시 풀려나는 것입니다.

石炭석탄이 特특히 많이 만들어진 것은 古生代고생대 後期후기의 石炭紀석탄기(約약 3億억 5,900萬만~2億억 9,900萬만 秊년 前전)입니다. 이 時期시기에는 키가 큰 羊齒植物양치식물이 우거진 濕地습지가 넓게 펼쳐졌고, 죽은 植物식물은 酸素산소가 적은 물속에 쌓여 完全완전히 分解분해되지 않은 채 묻혔습니다. 묻힌 植物식물은 먼저 泥炭이탄이 되고, 더 깊이 묻혀 熱열과 壓力압력을 받으면서 水分수분과 揮發휘발 成分성분이 빠져나가 褐炭갈탄, 瀝靑炭역청탄, 無煙炭무연탄으로 차례로 變변합니다. 이 過程과정에서 炭素탄소의 比率비율이 높아져 無煙炭무연탄은 炭素탄소가 90% 안팎에 이릅니다. 우리나라에서 캐던 石炭석탄도 大部分대부분 古生代고생대 地層지층의 無煙炭무연탄입니다.

石油석유와 天然천연가스는 바다 밑에 쌓인 플랑크톤의 有機物유기물이 묻혀 대략 60~120 ℃의 溫度온도를 오랫동안 받을 때 主주로 만들어집니다. 溫度온도가 이보다 낮으면 有機物유기물이 充分충분히 分解분해되지 않고, 더 높아지면 石油석유 分子분자가 작게 쪼개져 天然천연가스가 됩니다. 化石화석 燃料연료가 만들어지려면 有機物유기물이 分解분해되기 前전에 묻혀야 하고, 알맞은 溫度온도에서 수百萬백만 秊년 以上이상 머물러야 하므로, 化石화석 燃料연료는 地球지구의 特定특정한 時期시기와 場所장소에 치우쳐 分布분포합니다.

燃燒연소의 化學的화학적 過程과정은 「酸化還元」에서 다룹니다. 수억 秊년에 걸쳐 쌓인 에너지를 수백 秊년 만에 꺼내 쓰고 있으므로 化石화석 燃料연료는 다시 만들어지기를 기대할 수 없습니다.

太陽태양 에너지를 利用이용한 發電발전

人類인류가 쓰는 에너지도 大部分대부분 거슬러 올라가면 太陽태양에서 옵니다. 發電발전은 自然자연에서 일어나는 에너지 轉換전환의 한 段階단계에 끼어들어 電氣전기 에너지를 꺼내는 일입니다. 水力수력 發電발전은 물의 循環순환으로 높은 곳에 모인 물의 位置위치 에너지를 運動운동 에너지로 바꾸어 터빈을 돌리고, 터빈에 連結연결된 發電機발전기가 이를 電氣전기 에너지로 바꿉니다. 風力풍력 發電발전은 바람의 運動운동 에너지로 날개를 돌려 電氣전기 에너지를 얻습니다. 太陽光태양광 發電발전은 中間중간 段階단계 없이 太陽태양 電池전지가 빛 에너지를 바로 電氣전기 에너지로 바꾸는데, 現在현재 널리 쓰이는 太陽태양 電池전지는 받은 빛 에너지의 20% 안팎을 電氣전기로 바꿉니다.

火力화력 發電발전은 化石화석 燃料연료를 태워 얻은 熱열로 물을 끓이고, 그 水蒸氣수증기로 터빈을 돌려 電氣전기를 만듭니다. 化學화학 에너지가 熱열 에너지와 運動운동 에너지를 거쳐 電氣전기 에너지로 바뀌는 셈인데, 石炭석탄 火力화력 發電所발전소의 效率효율은 35~40% 程度정도에 그치고 나머지는 大部分대부분 冷却水냉각수와 排氣배기가스로 빠져나가는 廢熱폐열이 됩니다. 熱열을 運動운동으로 바꾸는 段階단계에서는 에너지의 一部일부가 반드시 熱열로 버려지기 때문입니다. 아래에서 볼 것처럼 에너지의 總量총량은 保存보존되지만, 쓸모 있는 形態형태의 에너지는 轉換전환을 거칠 때마다 줄어듭니다.

에너지 흐름의 整理정리

太陽태양에서 오지 않은 에너지

地球지구의 에너지가 모두 太陽태양에서 오는 것은 아닙니다. 太陽태양 에너지와 區別구별되는 에너지원도 알아 두어야 地球지구의 에너지 흐름을 全體전체로 볼 수 있습니다.

地球지구 內部내부에서 表面표면으로 흘러나오는 熱열은 地球지구가 받는 太陽태양 에너지의 수천분의 1에 불과하지만, 板판을 움직여 大陸대륙을 옮기고 山脈산맥을 만듭니다. 太陽태양 에너지가 地表지표를 깎아 내리는 힘이라면, 地球지구 內部내부 에너지는 地表지표를 들어 올리는 힘입니다.

에너지 保存보존

에너지는 形態형태가 바뀔 뿐 새로 생기거나 없어지지 않습니다. 이를 에너지 保存보존 法則법칙이라 합니다. 太陽태양의 核融合핵융합도 이 法則법칙을 벗어나지 않습니다. 사라진 것처럼 보이는 質量질량이 같은 量양의 에너지로 나타나므로, 質量질량까지 에너지의 한 形態형태로 보면 總量총량은 保存보존됩니다.

地球지구도 마찬가지입니다. 地球지구는 太陽태양 에너지를 받는 만큼 赤外線적외선으로 宇宙우주에 내보냅니다. 地球지구에서 일어나는 바람, 비, 生命생명 活動활동은 그 사이를 지나가는 에너지가 形態형태를 바꾸며 일으키는 現象현상입니다. 物質물질은 地球지구 안에서 循環순환하지만, 에너지는 太陽태양에서 들어와 宇宙우주로 빠져나가는 흐름입니다.

整理정리

太陽태양의 빛은 水素수소가 헬륨으로 바뀌며 사라진 質量질량에서 나옵니다. 그 에너지 가운데 아주 작은 部分부분이 地球지구에 닿지만, 그것만으로도 大氣대기와 바다를 움직이고 물을 循環순환시키며 生命생명을 維持유지하기에 充分충분합니다. 바람과 비, 植物식물이 만든 有機物유기물, 땅속의 化石화석 燃料연료는 形態형태만 다를 뿐 모두 太陽태양에서 온 에너지이며, 地球지구 內部내부 에너지·潮力조력·原子力원자력만이 이 흐름 밖에 있습니다. 어떤 에너지 現象현상을 만나든 그 에너지가 어디서 왔고 어떤 形態형태를 거쳐 왔는지를 거슬러 올라가 보면, 質量질량에서 빛으로, 빛에서 熱열과 運動운동과 化學화학 에너지로 이어지는 하나의 흐름이 드러납니다.