[理知논술/교과서로 논술 잡기]과학영역

수소에너지가 아직까지 상용화되지 않는 이유는?

주제: 전기와 자기

〈제시문〉

하늘 높이 떠 있는 태양은 지구에 빛을 비추어 여러 자연현상을 일으키고 인류가 자연 속에서 살아갈 수 있도록 에너지를 제공해 주고 있다. 생명체가 생장하고 태풍이 불고 비와 눈이 내리는 등 자연계에서 일어나는 많은 자연현상들을 에너지의 전환으로 설명해 보자.

글 싣는 순서(과학)
번호	주제	분류
1	물질대사	생물
2	소음	물리
3	전해질과 이온	화학
4	지각변동	지학
5	순환과 배설	생물
6	힘과 운동	물리
7	산과 염기의 반응	화학
8	날씨의 변화	지학
9	인체와 건강	생물
10	일과 에너지	물리
11	반응 속도	화학
12	해양의 성질	지학
번호	주제	분류
13	자극과 반응	생물
14	전기와 자기	물리
15	공기	화학
16	태양계	지학
17	생식	생물
18	파동과 입자	물리
19	금속의 부식	화학
20	우주	지학
21	생태계와 환경오염	생물
22	에너지의 사용	물리
23	우리 주변의 화합물	화학
24	지구환경의 변화	지학

식물의 녹색 잎은 광합성을 통해 태양에너지를 화학에너지로 전환시키고 이를 탄수화물이나 당류 등으로 곡물에 저장한다. 이러한 곡물은 사람이나 동물에게 섭취되어 생명을 유지하고 활동하는 데 필요한 에너지로 전환된다.

호수, 해양, 생물, 지면 등에 존재하던 물이 증발이나 증산 작용에 의해 대기 중으로 방출되고 공중으로 올라가서 구름을 형성할 때, 그동안 흡수하는 에너지는 무엇인지, 또한 방출하는 에너지는 무엇인지 말해 보자. 구름이 천둥, 번개를 치며 비나 눈 또는 우박으로 내릴 때 전환되기 전의 에너지와 전환된 후의 에너지는 무엇인지 알아보자. 자연계에는 여러 가지 에너지의 전환이 일어나고 있고, 또한 우리는 이러한 에너지의 전환을 생활에 유용하게 이용하고 있다. 우리 생활에 이용되는 여러 가지 에너지의 전환 과정에 대해 알아보자. [(주)대한교과서 과학 교과서]〈교과서 문제 이해하기〉

지구상의 모든 에너지는 형태만 변화되고 새로 생겨나거나 소멸되지 않는다. 그런데도 우리는 에너지를 절약하고 아껴 쓰자고 항상 강조하고 있다. 왜 그럴까? 이유를 에너지 전환 과정을 통해 설명하시오.

〈문제 설명〉

에너지가 전환될 때 일부만 전환되고 나머지는 열에너지 형태로 빠져나가는데 이러한 열에너지는 다른 형태의 에너지로 전환하여 사용할 수 없는 에너지이다. 그러므로 효율을 높이거나 절약하여 사용하여야 한다. 인류는 옛날부터 에너지를 사용하여 왔으며 문명이 발달할수록 에너지를 많이 소비하게 된다. 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환되면서 에너지 총량은 항상 일정하게 보존된다. 그러나 한번 사용한 에너지는 재활용이 불가능하다. 그러므로 인류의 장래를 위해서는 에너지 자원을 더 효율적으로 사용하고, 항상 절약해서 사용해야 한다.

〈통합 교과 문제〉 제시문

(1) 태양에너지

지구 대기 밖에서 태양광선에 수직인 1cm²의 면적이 1분 동안에 받는 태양 복사에너지가 약 2cal(태양상수)인데, 지구 단면적(2πR2)을 곱하여 1초당 받는 에너지로 환산하면 약 3×10＾12 ㎞/sec이다. 이렇게 막대한 에너지를 받고 있음에도 지구의 평균기온은 거의 변하지 않는 것은 지구가 태양으로부터 받는 양만큼의 에너지를 지구 복사로 방출하여 에너지 평형 상태를 이루기 때문이다. 그러나 지구 전체로는 복사 평형이지만 위도에 따라서는 태양 복사에너지와 지구 복사에너지가 차이가 있다. 즉 저위도 지방에서는 에너지 과잉 상태가 되고, 고위도 지방에서는 에너지 부족 상태가 된다. 그러나 저위도 지방의 온도가 계속 올라가지 않고 고위도 지방의 온도가 계속 내려가지 않는 것은 저위도 지방의 에너지가 바람과 해류에 의해 고위도 지방으로 이동하기 때문이다.

기후는 지구에서의 에너지 평형의 결과 때문에 나타나는 현상이다. 따라서 에너지 흐름의 변화는 기후변화를 유발할 수 있다. 태양 복사에너지가 지구에 입사되지 않고 우주 공간으로 방출되는 정도(반사도 또는 알베도·albedo)가 크면 지구의 기온이 내려갈 것이다. 지표면의 반사도는 녹지보다는 숲이 없는 사막과 같은 곳이 높다. 따라서 삼림 파괴, 도시 팽창 등과 같은 지표면의 변화는 태양에너지의 흡수를 저하시킨다. 이와 반대로 온실효과는 지구에서 방출되는 지구 복사에너지를 차단시킴으로써 지구 온도를 상승시키는 역할을 한다. 지구 온도는 산업혁명 시대 이전까지는 변화가 적었으나 산업혁명 후 공업의 발달로 대기 중의 이산화탄소가 증가하면서 급격히 높아지고 있다. 1990년의 평균기온은 100년 전보다 0.3∼0.6도 상승하였으며, 이산화탄소 배출이 지금과 같이 계속되면 2025년에는 지금보다 1도 상승하고, 2100년까지는 3도 이상 상승할 것으로 추정된다.

(2) 수소에너지

아인슈타인을 생각해 보면 무슨 공식이 떠오르는가? 그의 유명한 공식 Ε=ｍｃ² 이 생각 날 것이다. 이 공식은 ‘에너지=질량×빛의 속도의 제곱’을 뜻한다. 다시 말해 질량은 곧 에너지라는 말이 된다. 즉, 질량을 에너지로 변환시키면 막대한 에너지가 나올 수 있다.

태양은 수소의 핵융합 반응으로 인해서 빛을 내게 된다. 핵융합 반응이란 수소가 헬륨으로 핵이 융합되면서 막대한 에너지를 방출시키는 것을 말한다. 수소는 한 개의 양성자로 되어 있고 헬륨은 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 이루어져 있어서 쌍을 이루면서 안정된 상태를 유지하고 있다. 즉, 4개의 수소 원자가 모여야 헬륨 원자 하나를 만드는 것이다. 원자는 가운데 원자핵이 있고 주위를 전자가 돌고 있게 되는데 이 원자핵이 깨져서 두 개의 양성자와 두 개의 중성자를 만들면서 에너지를 방출하게 된다. 여기서 원자핵을 깨려면 우리가 상상도 할 수 없는 큰 힘이 필요하다.

그러나 플라스마 상태는 원자핵과 전자가 자유로운 상태이다. 태양은 바로 플라스마 상태로 되어 있어 자유롭게 핵융합이 이루어지게 된다. 핵융합에는 1억 도 이상의 높은 온도가 필요한데, 태양과 같은 별은 그 빛에너지가 핵융합에서 생긴다. 이 과정을 이용하여 수소폭탄이 만들어진다. 핵융합은 플라스마 상태에서 이루어지는데, 플라스마란 아주 높은 온도에서 전자와 핵이 분리된 채 고루 섞여 분포된 상태를 말한다. 고온 플라스마를 만들고 자기거울과 덫으로 이 플라스마를 가둘 수 있을 때 핵융합이 이룩되며 이 반응을 제어할 수 있게 된다. 그러므로 저온 핵융합은 이론적으로 불가능하다.

〈통합 논술 문제〉

(1) 지구상 태양에너지의 흐름에서 알베도와 온실효과가 기후에 미치는 영향에 대해 설명해 보시오.

(2) 미래의 대체에너지 중 수소에너지가 아직까지 상용화되고 있지 못하는 이유에 대해서 설명해 보시오.

허균 청솔 아우름 통합논술 강사