가말고사 답

[spectro]

생활과화학 기말고사

1. (대기) 공기가 실제로 분포하고 있는 상태를 교재 내용을 중심으로 설명하라. (20)

7. 1. 2 허공에 뜨는 공기

공을 공중에서 놓으면 땅에 떨어진다. 돌이든 쇳덩어리든 솜이든 받치는 것이 없으면 공중에 뜰 수 없다. 바람과 상승기류가 없으면 새의 깃털이라도 아래로 떨어진다. 더 작은 빗방울과 눈송이조차도 마치 서로 다투는 것처럼 먼 하늘에서로부터 땅에 떨어진다.

그런데 공기 분자는 왜 눈송이처럼 내려서 땅에 쌓이지 않는가? 분자는 가볍기 때문이라고 할지 모르나 아무리 가벼워도 무게는 0이 아니다. 따라서 공기 분자는 중력에 끌려 지상에 낙하해야 한다.

공기 분자는 아르키메데스의 부력 원리로 떠있다고 반론할지도 모른다. 눈앞의 공간에 어떤 일정 부피의 공기를 생각해보자. 액체의 경우와 마찬가지로 공기 분자는 주위의 기체로부터 부력을 받고, 다시 그 부력이 중력과 균형 잡히므로 낙하하지 않는다.

그러나 공기 분지 하나하나는 실은 진공 중에 있는 입자이다. 그렇다면 왜 그 입자가 진공 중에 떠 있고 중력의 법칙에 따라 땅에 떨어지는 일이 없는가? 공기 분자는 낙하하지만 도중에서 아래에 있는 공기 분자와 충돌하여 다시 위로 올라간다고 주장할지 모르겠다. 그러나 위에 올라가도 다시 같은 정도의 충돌이 있을 것이며, 시간이 지나면 공기층 전체가 점차 아래로 쌓인다고 생각되지 않을까?

그런데 지금보다 옛날이 공기가 희박했다는 노인네들의 얘기도 들은 적이 없고, 언젠가는 공기층이 꽉 얼어붙을 것이라고 정색으로 말하는 사람도 없다.

7. 1. 3 공기 분자는 하늘 높이 떠오른다.

물체가 떨어진다는 것을 좀 더 캐 들어가 보자. 물체는 높은 곳에 있으면 위치 에너지가 크고, 낮은 곳에 있으면 작다. 그리하여 받치는 것이 없으면 물체는 위치 에너지를 줄이려 한다. 그 때문에 지구 주위에서는 낙하라는 현상이 일어난다. 큰 위치 에너지를 작게 하려는 것은 낙하 현상에서 뿐만 아니다. 늘어난 고무줄과 용수철은 줄어들려 하고 끌어당긴 활을 놓으면 금방 제자리로 돌아간다.

이렇게 생각하면 자연계에 존재하는 것은 받침이 없는 한 항상 위치 에너지가 감소하는 방향으로 향하고 있는 것 같이 생각된다. 그렇다고 하면 공기 분자는 역시 땅에 떨어져야 마땅하다.

여기서 우리가 이미 알고 있는 사실 「많은 입자로 된 체계에서는 입자의 조합수가 가장 많은 상태가 실현된다.」는 것을 다시 상기해보자. 길쭉한 용기 속에 10개의 부피가 같은 작은 방을 만들었다고 가정해보자. 이 용기를 상하 방향으로 세워놓는다. 10개의 구슬을 10개의 방에 넣는다고 하자. 위치 에너지를 전적으로 도외시 한 경우 10개의 구슬은 10개의 방에 어떻게 들어갈까? 아래로부터 세 번째 방에 9개가 들어가고 나중 1개는 위로부터 두 번째에 들어간다거나, 6개가 아래로부터 네 번째 방에, 남은 4개가 위로부터 세 번째라든가, 그밖에 각가지 경우를 생각할 수 있을 것이다.

7. 1. 4 기호를 쓰는 계산

너무 깊이 생각하면 혼란이 올지 모르므로 다음 두 가지 극단적인 예를 비교해 보자.

1) 10개 전부가 맨 아래 방에 들어간다.

2) 각 방에 1개씩 들어간다.

1)의 경우에는 가능성이 한 가지이다. 2)의 경우에는 어느 방에 어느 구슬이 들어가는가 하는 조합 수는 대단히 많다. 10개의 구슬을 10개의 방에 넣는 경우는

10×9×8×7×6×5×4×3×2×1 = 3,628,800

라는 큰 수가 된다. 1에서 10까지 곱한 기호를 10!이라고 쓰고 이것을 10의 계승이라 부른다. 이렇게 배치된 수를 수학에서는 순열이라고 한다.

만일 상자 속 구슬이 높은 곳에 있든 낮은 장소에 있든 에너지 차이가 없다고 하면 구슬은 한 방에 모이는 것보다도 10개 방에 1개씩 나눠진다. 균등하게 나눠지는 편이 몰리는 것보다 훨씬 큰 확률을 가지기 때문이다.

기체 분자는 구슬과 달라 개똥이라거나 떡쇠 같은 개성을 갖지 않으므로 똑같이 논할 수는 없지만, 경우의 수의 다과를 이해하는 데는 구슬의 예와 같이 생각해도 나쁘지 않다. 따라서 에너지를 무시하면 기체 분자가 지상에 쌓이는 것은 많은 화투가 우연히 전부 앞이 나오는 것과 같이 어려운 일이다. 분자가 상공에까지 같은 밀도로 부유하는 쪽이 훨씬 실현하기 쉽다.

물론 공간은 용기오하 달라 천장이 없다. 위치 에너지를 생각하지 않으면 공기는 고른 밀도가 되어 대단히 높이 올라가 지구 표면은 거의 진공이 되어 버릴 것이다.

7. 1. 5 타협할 문제

지금까지의 논의에서 모순되는 두 가지 사항에 부딪친다.

1) 공기 분자는 될 수 있는 대로 위치 에너지를 작게 하고 싶어 한다. 그 때문에 지상에 쌓이는 것이 최상 책이다.

2) 많은 입자로 되어 있는 체계는 실현되는 확률이 가장 큰 상태가 되려 한다. 그러기 위해서는 공기 분자는 대단히 엷게 고른 밀도로 훨씬 상공까지 퍼지는 것이 바람직하다.

실제의 공기 분자는 이 두 법칙 사이에 낀다. 이쪽 얼굴을 세워주면 저쪽이 곤란해져서 결국 두 법칙 체면을 세워, 쌓이지도 않고 그렇다고 해서 상공까지 고르게 될 수도 없고 관측되는 것 같이 아래쪽은 진하고, 위는 엷게 분포하게 된다.

2. (물) 건강에 좋은 물 마시는 방법을 기술하라. (20)

보편적인 물 건강법을 소개해 보겠다. ① 물을 침과 천천히 섞어 조금씩 마시는 것이 신장과 심장에 부담을 주지 않는다. 물을 빨리 마시면 식욕이 떨어지고 위가 늘어져 소화도 안 되고 속이 더부룩한 증세가 생길 수 도 있다. ② 아침에 일어나자마자 찬물을 한두 잔 마시면 변비치료에 큰 효과를 볼 수 있다. 위와 장에 자극을 줘 배변 운동이 쉽게 일어나도록 도움을 준다. ③ 술을 마실 때 물을 같이 마시면 물이 알코올을 묽게 하여 체내로 흡수되는 알코올양이 줄어든다. 특히 찬물을 마시면 작은창자의 연동 운동이 빨리 일어나게 하여 알코올이 소장을 빨리 지나도록 하여 체내 흡수량을 줄인다. 또 물을 많이 마시면 소변으로 혈액 속의 알코올이 몸 밖으로 배출되어 간의 부담이 줄어든다. ④ 식사 중에 물을 많이 마시면 음식물을 충분히 씹지 않게 되고 소화효소나 위산이 희석되어 소화에 지장을 초래하기 때문에 좋지 않다. 식사 전후에 마시는 반 컵 정도의 물은 위의 연동운동을 촉진하여 도움이 된다. ⑤ 여름철에는 땀으로 몸속의 나트륨 성분이 배출되므로 물 마실 때 약간의 소금을 곁들이는 것이 필요하다. 소듐 성분이 부족하면 열 경련과 열사병 등이 생길 수 있다.

3. (지구) ‘지구의 화학’ 강의 내용 중 가장 기억에 남는 것을 요약하라. (30)

4. 교재에 수록된 대체에너지를 간단하게 기술하고 우리나라에서 가정 유망한 것은 무엇이라고 생각하는지 본인의 의견을 기술하라. (40)

11. 5 대체에너지와 신에너지

대체에너지는 자연을 이용하는 에너지이며 환경에 미치는 영향이 화석에너지보다 아주 적으며 재생할 수 있는 에너지로 지열, 풍력, 수력, 해양 (조력, 파력, 온도차)에너지 등이 있다. 최근에 개발 연구되고 있는 신에너지에는 태양에너지, 핵융합에너지, 연료전지, Magneto Hydro Dynamics (MHD), 바이오에너지 등이 있다. 다음에 이들에 대하여 간단하게 설명하려고 한다.

11. 5. 1 태양에너지

태양은 막대한 양의 에너지를 만드는 무한정의 에너지원이긴 하지만 일사량이 가장 많은 시간에도 에너지 밀도가 1 ㎾/㎡ 정도로 매우 낮고 기상, 지형 등의 자연 조건에 구애받는 등의 제약으로 아직은 경제성이 낮다. 태양열 온수장치, 태양열 발전소 및 태양전지 등이 개발되어 이용되고 있으며 많은 연구가 이루어지고 있다.

11. 5. 2 태양열발전

태양열 발전소는 포물면경을 이용하여 열에너지를 모아 물을 가열하여 만들어진 증기로 터빈을 돌려 발전을 하게 된다. 1973년경부터 연구개발이 시작되어 82년 미국에서 1,000 kW급이 실용화되었다. 현재 30만 kW에 달하는 발전시설이 운전 중이며 수천 kW급 발전소가 연구개발 또는 건설 중에 있다.

11. 5. 3 태양열 온수장치

지붕에 태양열을 흡수할 수 있는 검은 색의 수열관을 설치하여 가정에 온수를 공급하는 장치가 사용되고 있다. 이 온수장치는 여러 개를 연결시킬 수도 있어 다량의 온수를 만드는 것도 가능하다. 특히 더운 지방이나 여름에 잘 운용되고 겨울에는 물을 데우는 것을 돕게 된다.

11. 5. 4 태양전지

태양전지는 일종의 반도체이며 재료로서는 Si, GaAs, CdTe, CdS, InP, 등과 복합재료들이 사용되고 있다. 태양에너지를 흡수하면 전자 또는 홀에 의해 전기가 흐르게 된다. 전자계산기, 손목시계, 인공위성의 전원으로서 이용되고 있다. 무공해 에너지원으로 소음과 열이 발생하지 않지만 큰 발전량을 얻기 위해서는 큰 태양 전지판이 필요하다는 결점이 있다. 우리나라에서는 전남 하화도에 25 kW급, 최남단 마라도에 30 kW급 시스템이 설치되어 섬 주민들에게 전력을 공급하고 있다.

11. 5. 5 반도체

전자 또는 홀이 이동하면 전기가 흐른다. 금속 등의 도체에는 결정에 자유전자가 존재하므로 전기를 통할 수 있지만 절연체에는 전자들이 원자 또는 분자에 속박되어 전기가 흐르지 않는다. 반도체는 열이나 빛 등의 에너지가 공급되거나 불순물을 소량 첨가하면 (doping) 이동할 수 있는 전자나 홀이 생성되어 전기를 흐르게 한다. 순수한 실리콘 과 게르마늄을 진성 반도체, 가전자가 하나 많은 원소들 즉, 인, 비소, 안티몬이 첨가되면 n형 반도체, 가전자가 하나 적은 원소들 즉, 갈륨, 인듐이 첨가되면 p형 반도체이다, 반도체의 일반적인 비저항은 실온에서 10-3~1010 Ω · cm 정도이다. 온도가 올라가면 비저항이 감소한다.

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11. 5. 6 전지

전지는 산화 환원 반응에서 나오는 화학에너지를 전기에너지로 변화시킬 수 있는 장치이며 실생활에서 편리하게 이용되고 있다. 황산구리(Ⅱ) 수용액에 아연을 넣으면 아연이 산화되어 2가 이온이 되어 용액에 녹고 구리이온은 환원되어 구리로 석출된다.

Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

아연과 구리 이온을 분리된 두 개의 칸에 각각 넣고 전선으로 연결하면 전선을 따라 전류가 흘러 전등을 켜거나 전동기를 돌리는데 사용한다. 양극(anode)에서는 아연의 산화가 일어나고 구리 이온의 환원은 음극(cathode)에서 일어나며 만들어진 전자들은 전선을 따라 양극에서 음극에서 흐른다. 용액에서는 황산이온(SO42-)은 양극 쪽으로 그리고 아연 이온(Zn2+)은 음극 쪽으로 이동한다.

1) 갈바니 전지

구리와 은으로 이루어진 갈바니 전지에서 구리는 양극이며 은은 음극이다. 이 전지를 간략하게 표시하면 다음과 같다.

Cu(s) ︳Cu2+(aq) ‖ Ag+(aq) ︳Ag(s)

양극은 왼쪽에 음극은 오른쪽에 표시되며 ︳는 고체 전극과 용액의 접촉면이며 ‖ 은 양극과 음극을 연결하는 염다리이다.

전지에서 전류가 흐르려면 전기회로의 두 점 사이에 전위차 ΔE가 있어야 한다. 전위차는 외부회로에 전압계를 연결하여 측정하며 회로를 흐르는 전류의 양과 관련이 있으며 전류가 너무 크면 전압은 떨어진다. 알짜 전위차는 다음과 같다.

ΔE알짜 = ΔE - ΔE외부

ΔE는 ΔE알짜가 0이 될 때까지 ΔE외부를 조절하여 측정할 수 있으며 전류는 0이 된다. ΔE외부를 ΔE보다 약간 작게 하면 알짜 전위차가 작아지며 반응이 전극에서 서서히 일어나므로 전지는 거의 가역적으로 된다.

2) 1차전지

1차전지는 전지에서 전력이 생기는 동안 양극 또는 음극이 화학반응으로 인해 소모되는 전지이며 건전지, 알칼리 전지, 수은 전지, 리튬 전지 등이 있다. 건전지는 가장 오래된 소형전지로서 회중전등, 휴대용 라디오와 장난감 등에 사용되고 있다.

양 극: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-

음 극: 2NH4+(aq) + 2e- → 2NH3(g) + H2(g)

2MnO2(s) + H2(g) → Mn2O3(s) + H2O(l)

Zn2+(aq) + 2NH3(g) + 2Cl-(aq) → Zn(NH3)2Cl2(s)

전체반응: Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(s) → Zn(NH3)2Cl2(s) + H2O(l) + Mn2O3(s)

전류가 빨리 흐르면 생성되는 기체가 빨리 소모되기 어려우므로 전압이 떨어지는 단점이 있다. 최대 전위차는 1.5V이다. 아연은 식물과 인간에게 해로운 금속이므로 사용후 주의 깊게 폐기해야 한다.

알칼리 전지의 전해질은 강염기인 KOH이며 수명이 건전지보다 길다. 고율 방전이 가능하고 용량이 크며 저온에서도 사용할 수 있지만 강염기를 사용하므로 분해할 때 조심해야 한다.

양 극: Zn(s) + 2OH- → ZnO(s) + H2O(l) + 2e-

음 극: 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e- → Mn2O3(s) + 2OH-(aq)

전체반응: Zn(s) + 2MnO2(s) + 2H2O(l) → Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s)

사용시 기체가 발생하지 않으며 전류가 많이 흘러도 전압이 갑소하지 않으며 표준전압은 1.54V이다.

수은 전지의 양극은 아연이고 음극은 산화수은(HgO)이다. 양극과 음극이 고체이므로 칸막이로 분리하지 않아도 되며 수명이 길다. 아연은 수은과 합금을 만들거나 아말감화하여 사용된다.. 전압은 1.34V이고 안정하므로 통신 설비나 과학 기기에 많이 사용되고 있다. 수은은 독성이 강한 중금속이므로(미나마타병) 사용후 처리에 주의해야한다.

양 극: Zn(s) + 2OH- → ZnO(s) + H2O(l) + 2e-

음 극: HgO(s) + H2O(l) + 2e- → Hg(l) + 2OH-(aq)

전체반응: Zn(s) +HgO(s) + H2O(l) → Zn(OH)2(s) + Hg(l)

리튬전지는 고성능의 전자제품에 필요한 높은 에너지 밀도와 높은 출력밀도를 가지고 있으며 전압은 3V이다. 가장 가벼운 금소이고 산화전위가 높으므로 단위 무게당의 전기화학적 용량이 아연전지의 4배 이상이므로 음극물질로 가장 우수하지만 수분에 민감하기 때문에 수분을 제거한 유기용매 개발에 오랜 시간이 걸렸다. 리튬전지는 전해액이나 양극물질에 따라 고체양극, 액체양극, 고체전해질 전지로 나누어진다. 고체양극형의 이산화망간 리튬전지는 계산기, 시계, 완구 등에 많이 사용되고 있으며, 리튬 액체 양극전지는 군용무전기 등의 특수한 분야에 사용되고 있다. 고체전해질 리튬전지는 전지에서 누출이 없지만 추력이 상대적으로 약하므로 인공심장박동기 등의 낮은 출력으로 오랜 저장수명이 필요한 곳에 사용된다.

3) 2차전지

외부에서 전압을 주어 방전과 반대방향으로 전류를 흐르도록 하여 다시 충전할 수 있는 전지를 2차전지라고 하며 납축전지, 니켈-카드뮴 전지 등이 속한다. 재충전시 외부 전합은 정지전압보다 커야 하며 극성은 반대여야 한다.

납축전지의 양극은 다공성의 납(Pb)이며 음극은 압축된 PbO2이다. 교대로 배열되어 진한 황산에 담겨 있으며 얇은 섬유 유리판으로 분리되어 있다.

양 극: Pb(s) +SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2e-

음 극: PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq) → PbSO4(aq) + 2H2O(l)

전체반응: Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O(l)

납축전지의 기전력은 약 2V이지만 사용하는 동안 서서히 저하하여 1.8V 정도가 되면 다시 충전해야한다. 축전지의 기전력은 크기와는 관련없지만 극판면적을 크게 하면 용량이 증가하여 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 충전은 전지의 양 단자에 전원의 양 단자를 연결하고 규정된 전류값을 유지하면서 계속한다. 충전이 진행되면 양극판은 다갈색으로 음극판은 납색으로 변화하며 전압이 2.7～2.8V로 높아지고 전해액의 비중이 서서히 증가하여 1.26 정도가 되면 종료한다.

니켈-카드뮴 전지는 계산기, 면도기, 캠코더, 휴대용 라디오 등에 사용된다. 충전하여 계속 사용할 수 있으므로 수명이 길다.

양 극: Cd(s) + 2OH-(aq) → Cd(OH)2(s) + 2e-

음 극: NiOOH(s) + H2O(l) + 2e- → Ni(OH)2(s) + OH-(aq)

전체반응: Cd(s) + 2NiOOH(s) + 2H2O(l) → Cd(OH)2(s) + 2Ni(OH)2(s)

전압은 1.4V이다. 카드뮴도 유독한 중금속 (이타이이타이병)이므로 사용 후 잘 처리해야만 한다.

11. 5. 7 연료전지

연료를 산화시켜 직접 전기를 만드는 장치이다. 연료전지는 두 가지 측면에서 일반적인 전지와 다르다. 첫째는 연료와 산소가 계속하여 전지에 공급된다. 둘째로 전극은 백금과 같이 전기화학 반응에 불활성인 전극을 사용한다. 전극은 용액에 전자를 제공해 주는 전도체 역할을 한다. 그림 수소와 산소를 사용하는 연료전지에 대해 알아보자. 수소는 양극에서 산화되고 산소는 음극에서 환원된다. 전체 반응은 연소의 경우와 동일하나 화학에너지가 모두 열로 변환되지 않고 약 40에서 55 %는 전기에너지로 변화된다.

2H2 + O2 → 2H2O

11. 5. 8 풍력발전

풍력발전기를 간단하게 설명하면 10 m이상의 높이에 날개가 둘 내지 셋 달린 큰 회전익이 장치되어있으며 회전익의 크기와 지상에서의 높이에 의해 발전 가능량이 결정된다. 또한 바람의 속도 역시 중요한 변수이다. 지상에서 높이 올라갈수록 바람이 세게 불고 회전익이 받는 풍량은 날개의 길이ㅢ 제곱에 비례하기 때문이다. 또한 풍력은 풍속의 세제곱에 비례한다. 대부분의 풍력발전기는 보퍼트 풍력계급으로 3 ～ 10계급 (12 ～ 102km/h)이 작동하도록 설계되어 있다.

보퍼트 풍력계급은 19세기 초에 영국의 보퍼트에 의하여 고안되었고 1962년부터 공식적으로 사용되고 있다.

표. 11. 3 보퍼트 풍력계급

풍력계급	명칭	지상 10m에서의 풍속	육상상태	해상상태
		km/h
0	고요	<1	연기가 수직으로 올라감	거울과 같은 해면
1	실바람	1 ～ 5	풍향은 연기가 날리는 것으로 알 수 있으나 풍향계는 움직이지 않음	물결이 생선바늘같이 작고 (파고 0.1m) 물거품이 없음
2	남실바람	6 ～ 11	바람이 얼굴에 느껴짐 나뭇잎이 흔들리며 풍향계도 움직이기 시작함	물결이 작게 일고 (파고 0.2m) 퍼의 마루가 부서지지 않고 모양이 뚜렷함
3	산들바람	12 ～ 19	나뭇잎과 가는 가지가 끊임없이 흔들리며 깃발이 가볍게 날림	물결이 커지고 (파고 0.6m) 파 마루가 부서져서 물거품이 생기고 흰 파도가 간간히 보임
4	건들바람	20 ～ 28	먼지가 일고 종잇조각이 날리며 작은 가지가 흔들림	파도가 일고 (파고 1m) 파장이 길어지며 휜 파도가 많이 보임
5	흔들바람	29 ～ 38	잎이 무성한 작은 나무가 전체가 흔들리고 호수에 물결이 생김	파도가 조금 높아지고 (파고 2m) 흰 파도가 많이 나타나며 물거품이 생기기 시작함
6	된바람	39 ～ 49	큰 나뭇가지가 흔들리고 전선이 소리를 내며 우산 받기가 곤란해짐	물결이 높아지기 시작하고 (파고 3m) 물거품이 광범위해지며 물보라가 생김
7	센바람	50 ～ 61	나무 전체가 흔들리며 바람을 안고서 걷기가 어려움	파도가 높아지고 (파고 4m) 파가 부서져서 물거품이 생겨 줄을 이루며 바람에 의해 날림
8	큰바람	62 ～ 74	작은 나부가지가 꺾이며 바람을 안고서는 걸음 수 없음	파도가 제법 높고 (파고 5.5m) 파장이 더 길어지며 마루의 끝이 거꾸로 됨 물거품이 강풍에 날림
9	큰센바람	75 ～ 88	가옥에 다소 손해가 생김 굴뚝이 넘어지고 기와가 벗겨짐	파도가 높고 (파고 7m) 물거품이 바람에 k라 짙은 줄무늬를 띰 마루가 흩어져 날리고 물보라 때문에 시계가 나빠짐
10	노대바람	89 ～ 102	내륙 지방에서는 보기 드문 현상임 수목이 뿌리째 뽑히고 가옥에 큰 피해가 생김	파도가 옆으로 긴 마루로 되어 몹시 높고 (파고 9m) 물거품이 큰 덩어리기 되어 강풍에 날림 파도가 심하게 부서지고 시계가 나쁨
11	왕바람	103 ～ 117	이런 현상이 생기는 일은 거의 없음 광범위한 파괴가 생김	파도는 대단히 높고 (파고 11.5m) 주위의 배는 파도에 가려 보이지 않고 길게 줄지은 물거품들이 바다를 덮음 시계가 극히 나쁨
12	싹쓸바람	118 이상	-	바다가 물거품과 물보라로 가득 차 (파고 14m 이상) 지척을 분간 할 수 없음

터빈은 수평으로 세워져 있는 2～3 개의 날을 가지고 있고 각각 300～750 kW의 전기를 만든다. 바람의 세기는 높을수록 커지므로 높게 세워진 터빈의 발전용량이 더 좋다. 대기 오염이 없지만 터빈들이 멀리 떨어져 있어야 하므로 넓은 지역이 필요하다. 미국, 독일 등에서 용량이 큰 발전소가 있으며 우리나라에도 서해안 군산에 발전소가 있다.

11. 5. 9 수력발전

물의 위치에너지를 이용하여 자기장 속에 있는 전기 도선을 회전 시켜 발전하는 수력발전은 1882년도에 미국 Wisconsin 주에 있는 Applet‎on 발전소에서 처음으로 시작되었다. 수력발전의 장점은 가동과 정지가 용이하고 운영비가 적게 들며 기계 수명이 반영구적이라는 점이다. 수력발전에는 수로식 발전, 댐식 발전, 댐 수로식 발전, 유역 변경식 발전, 양수 발전 등이 있지만 물의 낙차에서 생기는 운동에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 많은 전기를 얻기 위해서는 낙차가 상당히 커야하므로 수력 발전소는 주로 수요지인 도시에서 멀리 떨어진 산간벽지 즉 상류에 건설되는 경우가 많고 또한 자연 환경이 훼손될 수 도 있다. 생산된 전기는 고압선을 이용하여 도시 근처까지 송전된 후 변전소에서 전압이 조절되어 일반 가정, 공공건물, 공장 등으로 보내진다. 도시 근처의 송전선, 전봇대 등은 교통이나 시민들의 안전에 위험할 수 있으므로 순차적으로 지하를 이용하여 송전할 계획이라고 한다. 참고로 우리나라는 220V를 사용하고 있다. 우리나라에는 1983년 섬진강에 수력발전소가 건설된 이래, 팔당, 청평, 소양강, 충주, 안동, 합천, 보성강, 양양, 무주 등에 수력 발전소를 건설하여 가동 중이다.

댐건설로 수력발전이 가능하게 되었고 홍수 조절 등의 여러 용도로 사용될 수 있으며 또한 주변 경관이 아름다워졌다는 것은 이로운 점이지만 단점도 있다. 자신이 태어난 강의 상류로 거슬러 올라가 산란하여야하는 연어들이 댐을 거슬러 오르지 못하고 따라서 산란하지 못하고 죽는 수가 많다는 것이 방영된 적이 있다. 물론 이에 대한 대책으로 댐 주위에 연어를 위한 물길을 새로 만들어 연어가 오를 수 있게 하였다. 그러나 인위적인 댐건설로 인하여 생태계가 받게 될 영향에 대해서는 장기간 신중하게 고려될 필요가 있다.

11. 5. 10 지열발전

지열은 지구 내부에서 표면으로 나오는 열을 뜻한다. 지구의 온도는 중심부로 갈수록 상승하여 내핵의 온도는 4000℃ 정도이다. 지열은 열전도 또는 가스, 온수 및 화산폭발 등에 의해 유출되며 양은 지역에 따라 차이가 크지만 지구의 전 표면에서 나온다. 재생은 불가능하지만 지구 자체의 에너지이므로 굴착하는 깊이에 따라 잠재력은 무한하다고 볼 수 있다. 지열발전은 지하에 있는 고온층에서 증기 또는 열수의 형태로 열을 받아들여 발전한다. 빗물이 단층 등을 통해서 마그마가 모여 있는 지하로 흘러 들어갈 때 열을 흡수하여 고은의 물로 바뀌며 이 때 우물을 파면 압력이 낮아져 분출되는 고온의 수증기로 터빈을 돌린다. 이탈리아의 랄데렐로 지역의 발전이 유명하며. 이 밖에 뉴질랜드, 미국, 일본, 러시아, 멕시코에서 발전소를 가동하고 있다.

11. 5. 11 조력발전

하구나 만을 방조제로 막아 댐을 건설한 후 밀물이 되어 조수가 해안으로 들어오면 댐 상부의 저장소에 모아 둔다. 그리고 썰물이 되어 조수가 밀려나가면 댐 상부의 물이 방류될 때의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이 조력발전의 간단한 원리이다. 따라서 간만의 차가 큰 지역 황해, 영국해협, 아이리시 바다의 연안 등의 한정된 장소에만 적용할 수 있다. 간만의 차가 13.5m인 프랑스 서북에 위치한 브레타뉴 지구의 랑스강 하구에서 대규모의 발전을 하고 있다. 현재 실용화된 방법에 의하면 간만의 차이가 큰 하구나 만의 입구에 방조제를 만들고 수차 발전기와 수문을 설치하여 바닷물을 저장할 수 있는 저수지를 만든 후 수문을 조작하여 저수지와 바다와의 수위차를 발생시켜 발전을 한다. 우리나라에도 조력 발전을 위한 조사와 연구가 활발히 진행되고 있다.

11. 5. 12 바이오매스

살아 있는 생물체의 유기물량(건조 중량 또는 탄소량으로 표시)이 바이오매스 (biomass)이며 생물체량 또는 생물량이라고도 한다. 일반적으로 열대다우림, 열대계절림, 온대상록수림의 순으로 바이오매스가 감소하고 있다고 추정되고 있다.

현재 가장 많이 사용되고 있는 화석연료들은 멀지 않은 장래에 고갈될 것으로 예상되고 있고 또한 환경에 악영향을 유발하므로 바이오배스를 에너지원으로 이용하는 기술의 개발이 요구되고 있고 1978년 말부터 시작된 제2차 석유파동을 계기로 세계 각국에서는 바이오매스 이용에 관한 연구가 활발해졌다. 일본에서는 호주에 자생하는 유칼립투스의 잎에서 채취한 기름이 휘발유를 대신하여 자동차의 연료가 될 수 있다는 가능성이 입증되었다. 주조법과 같은 발효법으로 사탕수수나 카사바로부터 알코올을 뽑아 가솔린에 혼합해서 만드는 가소홀(gasohol)의 연구도 활발하여 브라질이나 미국에서는 이미 일부 실용화되고 있으며, 알코올만으로 달리는 자동차도 있다. 바이오매스 이용에 특히 관심이 깊은 나라는 동남아시아나 아프리카 등지의 비산유 개발 도상국들로서, 석유를 구입할 외화가 부족하므로 바이오매스를 이용한 에너지 개발이 주요당면과제로 되어 있다.

11. 5. 13 연료로서의 수소

수소도 기체이므로 천연가스처럼 파이프를 이용하여 운반할 수 있다. 수소가 연소되면 많은 에너지가 나오며 물이 생긴다. 수소가 연소될 때에는 물만 생성되므로 청청연료이다. 또한 수소는 바닷물에서 만들 수 있으므로 양은 거의 무한정이다. 지구에는 수소기체가 거의 존재하지 않으므로 수소화합물 (주로 물)에서 만들어져야하므로 에너지가 필요하다. 그러므로 수소는 근본적인 에너지원이 아니고 편리한 에너지 운반체이다. 태양전지를 이용하여 물을 전기분해하여 수소를 만들 수 있는 가능성이 있다. 만들어진 수소기체를 파이프라인으로 필요한 장소로 보낼 수 있다.

5. 다음 중 하나만 설명하라. (10)

(1) 나로호

(2) 인공생명체

6. 다음 발표에 대한 자신의 느낌을 기술하라. 자신이 발표한 것도 포함하는 것도 가능. 10개만 선택. (20)

오존층, 온실효과, 부영양화, BOD COD, 광합성, 전염병, 항암제, 도핑검사, 광우병, 자기부상열차, 산성비