한국정신과학학회(http://www.kjss.org/) 발표논문
발표일 : 2005.04.30
발표장안내--> http://www.kjss.org/home2/ex/mainFrameset.htm
분자운동에너지를 이용한 공기엔진/물엔진
유성훈ㆍ김현원ㆍ주남식ㆍ이대우
연세대학교 원주의과대학 생화학교실ㆍ(주)삼진ENG
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초록
현재의 인류는 주로 화석연료에 의존하여 에너지를 생산하고 있다. 화석연료의 매장량이 거의 고갈되어가고 있다는 사실을 차치하고서라도 이를 사용함에 따라 많은 환경오염을 일으켜 지구생태계를 파괴하고 있다. 이에 세계 각국은 대체에너지를 마련하고자 많은 노력을 아끼지 않고 있다는 것은 이미 주지의 사실이다. 대체에너지는 화석연료를 대체할 만큼 많은 에너지를 생산해낼 수 있어야 하며 또한 친환경적이어야 함은 그 에너지의 양 만큼이나 중요하다고 할 수 있다. 이에 대체에너지로서 상온의 공기분자의 운동에너지를 터빈의 운동에너지로 바꾸어 전기를 생산하고 저온의 공기를 발생시킬 수 있는 엔진이 개발되었다.
물레방아(수차)는 물의 낙하하는 운동에너지를 이용해 터빈을 돌리는 장치이다. 이때 물레방아의 회전 속도가 에너지를 생산하는데 중요한 요소가 된다. 그 속도가 너무 늦거나 빠르면 효율이 낮아지는데 물의 낙하하는 속도의 절반이 되었을 때 최대의 효율이 발생되어 물의 위치에너지는 모두 물레방아의 운동에너지로 바뀌게 된다.
공기엔진은 수차와 그 구조 및 원리가 매우 유사하다. 공기의 대부분을 차지하는 질소분자의 운동속도는 500m/s이므로 터빈을 250m/s 정도로 회전시킬 때 최대의 에너지 전환이 일어나 열손실이 거의 없이 터빈을 가속시키게 된다. 이 힘을 이용해 발전기를 돌려 전기를 생산할 수 있으며, 부산물로 운동에너지를 잃어 온도가 낮아진 공기를 배출하게 된다.
이것은 열역학 제 2법칙에 위배되는 일이 가능하며, 상온의 공기라는 단일 열원으로부터 전기와 함께 저온의 공기를 동시에 생산할 수 있다는 것을 의미한다. 이렇게 해서 대기 중에 무한대로 존재하는 공기를 에너지원으로 사용하는 것이 가능하다. 이러한 원리는 공기 뿐 아니라 물에도 그대로 적용될 수 있다.
서론
물질은 원자로 구성되어있으며 질량과 에너지를 가지고 있다. 원자는 강력, 약력, 전자기력, 중력의 4대 힘을 가지고 있으며, 원자 간의 결합을 통해 분자를 만들어 결합에너지를 갖게 된다. 또한 각각의 분자는 진동, 회전, 병진의 운동을 통해 에너지를 갖는데 온도와 압력 그리고 부피는 이 운동에너지에 의해 나타나는 현상이며 주위 환경과 항상 평형을 이루고 있다. 결국 분자는 주위로부터 에너지를 받으면 온도와 압력과 부피가 커지는 쪽으로 작용하며 에너지를 잃으면 작아지는 쪽으로 이동하게 된다. 공기는 태양열로부터 에너지를 흡수하여 분자의 운동에너지로 간직한다. 공기 1 입방미터의 질량은 약 1.29kg이며, 지표 공기의 78%를 차지하는 질소분자의 10℃에서의 평균 속도는 500m/s 이다. 이로부터 공기분자의 운동에너지는 약 125kJ/kg(29.9kcal/kg) 임을 알 수 있다.
우리는 열원으로 화석연료(석탄, 석유, 액화천연가스(LNG))와 우라늄을 대량 소모하고 있다. 그 밖의 에너지원으로 태양열, 수력, 소수력, 풍력, 지열, 조수간만의 차 등이 있다. 이들은 열에너지를 발생하거나 운동에너지를 갖고 있는 물질들로 분자운동에너지가 높거나 다른 물질의 분자운동에너지를 높일 수 있는 물질들이다. 우리는 기존의 동력을 발생시키는 원리와 같은 방법으로 공기분자의 분자운동에너지로부터 동력을 얻을 수 있다.
발전(發電)을 하기 위해선 발전기(發電機)가 필요하다. 실제적인 터빈발전기가 개발된 것은 1883년 스웨덴의 드라발(Carl Gustaf Patrik de Laval)2이 드라발노즐(발사노즐)과 단열충동터빈을 개발하고 나서라고 말할 수 있다. 고온, 고압의 증기가 갖는 에너지는 드라발노즐을 통과하면서 운동에너지로 전환되어 터빈을 회전시킨다. 이때 증기의 발사속도는 1000m/s를 넘는데 터빈의 원주 속도를 이 속도의 반 정도로 맞출 때 최대로 일을 할 수 있어 약 1~4만rpm의 속도로 회전을 시켜주게 된다. 이때 원심력이 강해 대형의 발전기로는 사용하기 어려워 대출력 터빈으로는 사용하지 못했다. 따라서 이후 커티스터빈과 쵤리터빈과 같이 회전속도를 줄이면서도 발전효율은 더 높아지도록 개발되었다.
발전기(發電機)는 두 액체나 기체간의 온도나 압력차가 있어야 발전(發電)을 할 수 있으며, 그 차이가 크지 않으면 효율적으로 발전을 하지 못한다. 따라서 터빈의 구조는 거의 같으나 액화를 시킬 수 없는 가스터빈5보다는 액화시킴으로서 많은 압력차를 낼 수 있는 증기터빈발전방식(기력발전)의 효율이 조금 더 높다. 증기터빈1은 수차의 연구로부터 많은 도움을 받았는데 충동수차로 펠톤수차가 있다. 이를 이용한 실험에서 터빈에 물을 낙하시켜보면 수차가 적당히 돌고 있을 때 물의 에너지가 터빈으로 잘 전달이 됨을 알 수 있다. 터빈이 멈추어 있거나 너무 느리게 돌면 물은 날개에 부딪힌 후 튕겨나고 너무 빨리 돌고 있으면 에너지를 전달하지 못하고 원래의 속도를 대부분 지닌 채 흘러가 버릴 것이다. 결국 수차의 회전속도가 물의 낙하속도의 절반이 되었을 때 물의 모든 운동에너지를 전달하게 됨을 알게 되었으며, 이는 드라발의 충동터빈과도 같은 결과였다. 고속회전이 어려웠던 시대에 충동터빈의 효율은 낮았으나 비교적 저속으로 회전하는 펠톤수차의 효율은 92%까지도 나왔다. 공기엔진의 구조는 드라발의 충동터빈이나 펠톤수차와 유사하다.
본론
1. 공기의 에너지
지구를 둘러싼 대기의 하층부분을 구성하는 공기는 무색·투명·무취의 기체로 수증기를 제외한 조성은 질소 78.10%, 산소 20.93%, 아르곤 0.93%, 이산화탄소 0.03% 등으로 되어 있다. 이들의 분자량과 1M의 부피는 22.4 liter라는 사실을 통해 입방미터() 당 평균 1.29kg 정도의 무게를 갖고 있음을 알 수 있다. 또 맥스웰의 기체분자운동론으로부터 식을 유도하면 10℃ 질소는 500m/s, 산소는 444m/s 정도의 평균분자속도를 갖고 있으며, 그 속도는 온도에 비례하고 분자의 질량에 반비례함을 알 수 있다(N은 분자의 개수, m은 분자의 질량, v는 속도, R은 기체상수, T는 온도를 나타낸다). 결과적으로 질량과 평균속도를 통해서 기체분자의 평균운동에너지()는 125kJ/kg의 에너지를 갖고 있음을 계산할 수 있다.
2. 탄성체간의 충돌에 따른 운동에너지 전달(그림 1. 참고).
기체분자와 피스톤과의 충돌로 피스톤이 받은 일은 기체분자의 운동속도의 감소와 직결된다. 따라서 충돌 후 기체분자의 속도가 최저가 되는 벽의 속도가 가장 효율이 높다고 할 수 있다. 충돌 후의 기체분자의 속도는 으로 나타낼 수 있으며 이 식으로부터 피스톤의 속도가 가 되면 정지됨을 알 수 있다. 또 이때 벽에 한 일은 으로 유도 되며 이 식으로부터 역시 피스톤 속도가 에서 최대의 일을 하게 되며 이때의 일은 분자의 운동에너지와 같음을 알 수 있다. 피스톤 속도가 이거나 0 이면 일은 0이 나와 일을 할 수 없게 되며, 피스톤의 속도가 음수가 되면 일은 음수가 되는데 속도에 비례해 무한대로 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 압축 시에는 최대한 낮은 속도로 압축하는 것이 효율적임을 알 수 있다. 여기서 는 피스톤의 기체분자와 같은 방향으로의 속도, 는 공기분자의 운동속도, 은 공기분자의 질량을 나타낸다. 이상의 결과로부터 팽창 시에는 기체분자속도의 1/2의 속도로 압축 시에는 최대한 천천히 압축하는 것이 기체분자로부터 보다 많은 에너지를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 정지해 있는 터빈에 충돌한 공기분자는 튕겨나갈 것이나 절반의 속도로 돌고 있다면 공기는 터빈에 모든 운동에너지를 전달하고 정지할 것이다. 이를 증명하기위해 컴퓨터시뮬레이션을 해보았다.
3. 분자동력학적 수치모사방법으로 본 이상기체의 단열팽창과 단열압축 과정에서의 일변화9.
분자로는 극성이 없는 알곤을 사용하였으며 완전탄성체로 분자간의 상호작용은 거의 무시할 만한 이상기체로 가정하여 분자동력학적 수치모사방법(molecular dynamic simulation: 이후 MDS)을 통하여 팽창과 압축 시에 발생하는 일의 변화를 나타내었다. (그림 2. 참고) 분자운동속도의 0.5의 속도비로 팽창하면 분자는 외부로 (2 - 1.732196 =) 0.267804 만큼의 일을 하였으며, 이 상태를 초기조건으로 0.1의 속도비로 재압축하면 (1.805689 - 1.732196 =) 0.073493 만큼 내부로 일을 한 결과가 나온다. 이로부터 외부로 한 일 - 내부로 한 일은 (2 - 1.805689 =) 0.194311로서 1회전에 9.7%의 최대효율을 갖게 된다. 따라서 팽창 시에는 0.5의 속도비로 압축 시에는 가능한 천천히 함으로서 일의 효율을 높일 수 있다. 하지만 시간이 많이 걸리면 일률이 떨어지므로 단위시간당 최대의 일을 얻어낼 수 있는 시간을 잡아야 한다.
4. 드라발노즐(발사노즐)2과 베르누이(bernoulli)의 정리8
압력을 가진 유체를 좁은 개구부(開口部)를 통해 분출시키면 고속을 얻을 수 있는데 개구부가 점차 넓어지는 구조(드라발노즐)를 형성하면 초음속을 얻을 수 있으며 펠턴수차(pelton 水車)와 증기충동터빈의 유체를 고속으로 내뿜는 데 쓰인다. 액체가 분출될 때의 속도(m/s)는 액체의 밀도ρ(㎏/m³)로 베르누이의 정리에 의해서 얻어진다. 기체에서도 100m/s 이하의 범위에서는 이 식으로 잘 표현된다. 베르누이는 고속으로 달리는 유체의 둘레에서 압력이 감소하는 현상을 수학적으로 풀었으며 이는 운동에너지의 방향이 한쪽으로 고정되면서 다른 방향으로의 충돌횟수가 적어져 압력이 감소하고 분자량이 다른 분자들이 뭉쳐져 전체적으로 같은 속도로 움직이게 되는 현상을 나타낸 것이다. 노즐을 통해 가속된 유체는 고속으로 움직이면서도 중심부로 뭉쳐지게 됨으로서 효과적인 충동장치를 구현할 수 있게 된다. 공기엔진의 노즐을 통과하는 백수십도 정도의 비교적 낮은 온도의 증기는 모든 분자운동에너지를 진행방향으로 갖게 되므로 상하좌우로는 압력이 감소해 물분자는 서로 엉겨 물방울을 형성하게 되고 터빈의 날개에 충돌함과 동시에 운동에너지를 전달하고 액화된다.
5. 공기엔진의 구조
공기엔진은 간단하게 노즐과 회전날개로 구성되어 있다. 노즐은 회전하지 않고 고정되어 있으며 공기의 흐름 방향을 유도하며 유체분자를 가속시키고 응집하게 하여 전체적으로 평균분자속도를 갖게 만든다. 회전날개는 다시 두 부분으로 나뉘어 공기와 충돌하여 운동에너지를 전달받는 충돌부와 운동에너지를 잃은 공기가 빠져나가도록 유도하며 시동 시 진공을 형성하도록 고안된 배출부가 하나의 날개로 되어있다. 충돌부는 공기분자속도의 1/2의 속도로 회전하는 팽창부위에 해당하며, 배출부에서는 기체를 약간 압축하여 밖으로 방출한다. (그림 3. 참고)
터빈의 날개부는 충동식 펠톤수차나 증기터빈과도 모습이 비슷하나 초기 유체의 유입 시 마찰을 최대한 줄이기 위해 얇게 설계되었으며 증기의 응축율이 높아도 잘 견딜 수 있도록 유체가 원심력을 따라 중심에서 밖으로 빠져나가도록 반경류식으로 고안되었다. 유체의 상대이동경로와 절대이동경로를 화살표로 표현하였다. 터빈의 회전 중심축에 연결된 발전기는 초기엔 진공상태를 얻기 위한 시동모터로도 쓰인다. (그림 4. 참고)
6. 공기엔진의 분자운동에너지 유도
기존의 증기터빈은 고온, 고압의 증기를 만들고 발사노즐을 통해 운동에너지를 높여 터빈을 돌리는 구조로 배출부에서도 대부분 증기로 빠져나오도록 되어있다. 그러나 공기엔진은 고속회전을 통해 터빈내부에 진공을 형성한다. 결과적으로 두 기관 모두 유체의 도입부와 방출부 사이에 압력차가 발생하지만 음압을 이용하면 상온의 유체도 에너지원으로 쓸 수 있게 된다.
결론 및 토론
토네이도에서 비가 내리고 우박이 떨어지고 회오리바람이 이는 현상은 공기엔진의 모습과도 흡사하다. 태양열을 받아 생성된 지표부의 고온 다습한 무거운 공기는 열에너지가 한계를 넘으면 균형을 깨고 상승하면서 저기압을 형성한다. 공기의 급상승으로 공기분자 간의 충돌이 줄어들게 되어 서로간의 거리가 가까워지면 수증기는 서로 붙어 응결되며 잠열을 방출한다. 이때 응결에 의해 수증기가 사라진 공간과 응축된 공기로 인해 기압은 더욱 낮아지고 잠열에 의해 공기분자의 운동속도는 더욱 빨라진다. 저기압은 주위의 공기를 더욱 빨아들이며 새로 유입된 수증기는 계속적으로 응결하면서 잠열을 내놓아 공기의 상승속도와 운동속도를 가속화 한다. 결국 강력한 저기압으로 회오리가 형성되며, 응결되어 운동에너지를 잃은 수증기는 비가 되고 때론 우박이 되어 떨어진다. 이 현상은 지표부의 고온 다습한 공기가 다 소진되고 지상부에 공기밀도가 충분히 높아질 때까지 진행되다가 사라지게 된다. 이때 발생한 막대한 운동에너지는 결국 지상부에 쌓여 온도를 높임으로서 토네이도의 수명은 다하게 되는데 이 운동에너지를 다른 곳에 쓰게 만든다면 토네이도 현상은 계속될 수 있을 것이다. 공기엔진은 이 운동에너지로 전기를 생산하는 기관인 것이다.
토네이도 현상은 높은 운동에너지를 나타내는 회오리바람과 낮은 운동에너지를 나타내는 비나 우박이 동시에 공존하는 이상한 현상인데 강력한 저기압 상태가 빚어내는 현상이라 하겠다. 또 큰 통에 물을 적당히 놓고 진공을 걸게 되면 표면의 물분자는 최대의 운동에너지를 갖고 날아가나 내부의 물은 에너지를 잃고 얼어버리게 되는데 이것도 역시 저기압 하에서 높은 에너지의 분자와 낮은 에너지의 분자가 분리 되는 현상이다. 이때 엔트로피는 감소하고 단일 열원이 두 열원으로 나뉘었다고 할 수 있다. 공기엔진도 진공을 통하여 상온의 공기라는 단일열원으로부터 에너지를 빼내어 낮은 에너지상태의 차가운 공기와 높은 에너지상태인 터빈의 운동에너지로 나누는 장치인 것이다. 다시 표현하면 불가능하다고만 여겨져 왔던 ‘맥스웰의 도깨비’ 현상을 실현할 수 있는 장치라고 할 수 있을 것이다.
공기엔진은 초기 진공을 형성하기위해 터빈을 구동하는데 이때 공기분자는 최대속도로 날아와 터빈에 에너지를 전달하고 빠져나가게 된다. 터빈의 속도가 공기분자 속도보다 너무 빠르면 회전속도는 줄어들게 되며 공기분자로부터 운동에너지를 받기 적당한 회전속도까지 떨어지게 된다. 이후 공기분자는 터빈과 충돌하고 에너지를 전달하며 터빈의 속도는 점차 평형을 이루게 된다. 이때부터 발전기를 돌려 저항을 걸어주어 터빈의 회전속도를 감소시켜 유입되는 공기분자운동속도의 절반에 해당하는 속도로 유지시킨다. 유입된 공기분자는 에너지를 잃고 빠져나가게 되는데 터빈 날개의 모양을 조절하거나 회전속도를 조절하여 유출되는 공기의 온도를 용도에 맞게 변화시킬 수 있다.
증기터빈이 1000m/s의 증기를 사용한 반면 공기엔진은 500m/s의 상온의 공기를 사용하며, 100℃ 이상의 더운 증기를 방출하는 대신 차가운 공기를 내놓게 된다. 물론 증기나 배기가스, 폐열과 같은 고온의 열원을 사용하면 더욱 많은 에너지를 얻을 수 있으며 오염된 공기나 물의 경우 냉매를 사용해 폐쇄회로를 사용할 수도 있다. 공기엔진에서 증기는 전량 물로 변환되고 방출되는 유체는 낮은 온도로 방출되므로 복수기는 필요하지 않다.
휘발유 1 liter는 연소 시 12000 kcal/kg의 에너지를 발생시킨다. 반경 20 cm 높이 10 cm의 공기엔진은 초당 31 평방미터의 공기를 소모하게 되므로 1196 kcal/sec의 열량을 내게 된다. 따라서 약 10초마다 휘발유 1 liter의 일을 대신하게 된다고 할 수 있다.
지구상에 공기와 물이 무한대로 있다. 우리는 공기엔진을 통해서 무한대의 전력을 마음대로 얻을 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 더 이상 화석연료를 사용하지 않음으로 지구의 질서를 파괴하지 않아도 될 수 있다. 공기엔진은 인류의 문화에 혁명적인 변혁을 가져다 줄 것이다.
참고자료
1. 증기터빈 관련자료
http://kr.dic.yahoo.com/search/enc/result.html?p=화력발전&subtype=enc&pk=18326900
2. 드라발
http://kr.ks.yahoo.com/service/wiki_know/know_view.html?dnum=LAJ&tnum=28178
3. 증기터빈
http://kr.ks.yahoo.com/service/wiki_know/know_view.html?dnum=LAI&tnum=83597
4. 공기터빈
http://kr.ks.yahoo.com/service/wiki_know/know_view.html?dnum=LAI&tnum=8617
5. 가스터빈
http://kr.ks.yahoo.com/service/wiki_know/know_view.html?dnum=LAI&tnum=814
6. 터보샤프트기관
http://kr.ks.yahoo.com/service/wiki_know/know_view.html?tnum=105612&affinity=no
7. 공동현상(cavitation)
http://kr.dic.yahoo.com/search/enc/result.html?pk=10867700&p=공동현상&subtype=enc
8. 베르누이의 정리
http://kr.dic.yahoo.com/search/enc/result.html?pk=13951500&p=베르누이의%20정리&subtype=enc
9. 윤웅섭, 일정속도 피스톤에의한 아르곤 팽창-압축 MD 계산