에너지 절약의 필요성

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   에너지는 거의 모든 경제 활동의 필수재로, 산업생산과 수송, 상업 및 가정용으로 그 중요성이 매우 크다. 에너지원의 수급이 원활하지 못하면 세계 및 국내 경제에 미치는 파급 효과가 커진다. 그 예로써, 석유의 가격이 인상되면 모든 경제 활동에 파급되어 산업 활동이 위축되고, 결과적으로 경제 성장률이 떨어지게 된다. 또, 국가적으로 소비되는 에너지의 양과 금액이 커서, 산업 구조에서 에너지 관련 산업이 차지하는 비중이 크다. 그리고 현대의 유용한 에너지원은 주로 화석 연료에 의존하고 있다. 이러한 화석 연료는 한정되어 있으므로, 에너지를 절약하는 것뿐만 아니라 새로운 에너지원을 개발하는 것도 중요하다. 이러한 화석에너지 자원들은 몇 년 뒤면 고갈될 것이고 이때까지 대체에너지가 개발되지 않는다면 우리들의 생활이 정상적이지 못할 것이다. 그리고 우리가 사용하고 있는 전기에너지등은 수력, 화력발전등으로 공급하고 있지만 수요량에 비해 공급량이 현저히 부족한 상태이다. 그리고 우리나라에 매장되어 있지 않아 외국에서 수입하여 사용하는 화석연료의 과다 사용으로 인해 외채가 늘어나고 있고 환경오염이 날로 심각해 지고 있다. 그럼에도 불구하고 수요량은 점점 늘어나고 있는 실태이고 에너지 과다낭비로 쓸데없이 사용되는 에너지가 많다. 지금부터라도 우리들은 외채를 줄이고 화경오염을 줄이고 자원의 고갈을 늦추기 위해 사소한 것이라도 아껴서 사용하고 절약하는 자세를 몸에 익혀 에너지를 절약하고 새로운 대체에너지를 개발하기 위해 힘써야 할 것이다.
 

에너지란 용어가 우리 생활 주변에서 많이 사용되고 있지만 그 의미가 추상적이어서 개념을 파악하기 쉽지 않다. 일반적으로는 일을 할 수 있는 능력으로 에너지를 정의한다. 일과 에너지는 아주 밀접한 관계를 가지고 있다. 일을 하여 주면 에너지가 증가하고 반대로 에너지가 일로 바뀔 수도 있다. 그리고 에너지의 크기는 에너지를 소비하여 이루어지는 일의 양으로 표시하며, 일의 양은 어떤 물체에 힘을 작용시켜 그 물체가 힘의 방향 또는 힘의 분력의 방향으로 어느 거리만큼 이동하였을 때 작용시킨 힘과 움직인 거리의 곱으로 나타내며, 단위로는 J(Joule)을 사용한다.   그리고 어떠한 물리계에서도 외계와 아무런 교섭도 없이 무한히 일을 계속할 수는 없다. 이것은 경험에서 얻은 대원리 이며 <제1종영구기관 불가능의 원리>라고 한다.  여기서 말하는 물리적인 일이란, 우리가 일상 생활에서 말하는 일과는 그 내용이 다르다. 즉, 과학에서 말하는 일은 수량적으로 분명히 나타낼 수 있어야 하며, 물체에 힘을 작용시켰을 때 물체가 움직이지 않거나 힘의 방향과 다른 방향으로 움직였을 때에는 일을 하는 것이라고 할 수 없다. 에너지의 여러 가지 형태  에너지는 여러 가지 형태로 존재한다. 운동하는 물체가 지니는 운동에너지, 뜨거운 증기나 연소된 석유가 지니는 열 에너지, 핵이 가진 핵에너지, 발전기를 돌려 가정에 공급되는 전기에너지, 태양에서 오는 태양에너지 등이 그것이다.  이러한 에너지는    첫째, 에너지의 크기는 실현된 또는 해 준 일의 양으로 잴 수 있다.    둘째, 에너지의 형태는 바뀔 수 있다.    셋째, 에너지 전환에 있어서는 어떤 장치가 필요하다.    넷째, 사용된 에너지가 모두 인간에게 유용한 일로 바뀌지는 않는다.  에너지를 설명하기 위해서는 보통 위치에너지와 운동에너지로부터 출발한다. 수력 발전소에는 높은 곳에 있는 물을 낙하시켜 발전기를 돌려 전기를 얻는다. 즉, 높은 곳에 있는 물은 에너지를 가지고 있다. 어떤 기준보다 높은 곳에 있는 물체는 그 기준에 대해 상대적인 위치에너지를 가진다. 그러므로 위치에너지는 높이에 비례한다.  지구상에 있는 물체는 연직 아래 방향으로 힘을 받으므로 높은 곳에 있는 물체는 중력에 의하여 연직 아래 방향으로 낙하하면서 일을 할 수 있다. 이와같이 중력장 내에서 물체의 높이에 따라 정해지는 에너지를 중력에 의한 위치에너지라고 한다. 중력에 의해서 뿐만 아니라 탄성력에 의해서도 위치에너지가 생긴다. 어떤 물체에 힘을 가하여 변형시켰다가 놓았을 때 원래의 모양으로 되돌아가려는 성질을 탄성이라고 하며, 이때 그 물체가 외부에 작용하는 힘을 탄성력이라고 한다. 이렇게 탄성을 가진 물체가 변형되면 원래의 모양으로 되돌아가면서 일을 할 수 있다. 이때의 에너지는 탄성력에 의한 것이므로 탄성력에 의한 위치에너지라고 한다. 그 크기는 탄성체의 변형의 크기에 의해 결정된다.  운동하고 있는 물체는 일을 할 수 있는 능력이 있으므로 에너지를 가지고 있다. 이와 같이 운동하고 있는 물체가 가지는 에너지를 운동에너지라고 한다. 이 운동에너지의 크기는 물체의 운동 속력과 물체의 질량에 관계된다. 물체의 질량에는 비례하고 물체의 속력에는 제곱에 비례한다.    에너지의 사용과 개발 우리가 필요한 에너지를 얻을 수 있는 자원을 에너지 자원이라고 한다. 에너지 자원 중에는 계속 사용할 수 있는 에너지자원(재생성에너지)으로  풍력, 지열, 태양에너지 등이 있으며, 사용에 한계가 있는 에너지 자원으로는 석탄, 석유, 우라늄 등이 있다.  인류는 옛날부터 에너지를 사용하여 왔으며, 문명이 발달할수록 에너지를 많이 소비하게 된다. 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환되면서 에너지 총량은 항상 일정하게 보존된다. 그러나, 한 번 사용한 에너지는 재활용이 불가능하다. 그러므로 인류의 장래를 위해서는 에너지 자원을 더 효율적으로 사용하고, 항상 절약해서 사용해야 한다. 또한, 원자력이나 태양, 바람, 파도 등의 자연의 힘을 이용한 에너지나, 연료전지, 바이오 에너지, 폐기물에너지 등의 대체 에너지를 개발할 필요가 있다.   에너지의 효율  어떤 한 형태의 에너지가 다른 형태로 전환될 때 완전히 한 형태로만 전환되지는 않는다. 열에너지를 이용하여 일을 하는 열기관의 경우 흡수한 열에너지를 모두 일로 전환시키지는 못한다. 그러므로 열기관이 흡수한 열에너지를 얼마나 많이 일로 바꿀 수 있는가는 매우 중요한 과제이며 이것을 수치로 나타낸 것이 열효율이다.  열효율 = (산출된 일/흡수한 열에너지)×100%

지구에서의 에너지 흐름1) 지구가 태양 복사에너지를 받고 있지만 지구 자신도 같은 양의 복사에너지를 방출한다. 2) 지구 중의 수증기와 이산화탄소는 지구 복사에너지를 흡수하므로 지구 복사에너지가 외계로 나가는 것을 막아 준다.         이러한 지구 대기의 역할을 온실효과라 한다. 3) 지구에서의 에너지는 지표면의 반사도와 온실 효과에 의해 영향을 받는다. 따라서 반사도나 온실 효과에 영향을 미치는     인자의 변화는 기후 변화를 유발한다.  지구 대기 밖에서 태양광선에 수직인 의 면적이 1분 동안에 받는 태양 복사에너지가 약 2cal(태양상수)인데, 지구 단면적()를 곱하여 1초당 받는 에너지로 환산하면 약 이다. 이렇게 막대한 에너지를 받고 있음에도 지구의 평균 기온은 거의 변하지 않는 것은 지구가 태양으로부터 받는 양 만큼의 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 고위도 지방의 온도가 계속 올라 가지 않고 저위도 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 기후 변화를 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 팽창등과 같은 지표면의 변화는 태양에너지의 흡수를 저하시킨다. 이와 반대로 온실 효과는 지구에서 방출되는 지구 복사에너지를 차단시킴으로써 지구 온도를 상승시키는 역할을 한다. 산업 혁명 시대 이전까지는 지구 온도의 변화가 적었으나 산업혁명 후 공업의 발달로 대기 중의 이산화탄소의 증가로 인해 급격히 높아지고 있다. 1990년은 지난 100년 전보다 0.3-0.6℃ 상승하였으며, 배출이 지금과 같이 계속되면 2025년에는 지금보다 1℃상승하고, 2100년 까지는 3℃이상 상승할 것으로 추정된다. 대기중의 증가와 대기 오염에 의한 구름의 증가는 반사도를 증가시키는 역할도 하지만 연구 결과에 의하면 온실 효과에 미치는 영향이 더 커서 결과적으로 온도를 상승시키는 역할을 한다. 생태계에서의 에너지 흐름1) 태양으로부터 온 빛에너지는 녹색식물에 의해 화학에너지로 축적되었다가 소비자로 들어가고, 소비자로 들어간 에너지는      분해자에 의해 다른  형태의 에너지로 이동된다. 2) 생태계에서 한 영양 단계에서 다른 영양단계로 에너지가 전이되는 양을 단계별로 표시한 것을 생태 피라미드라 하고,      한 영양  단계에서 다음   영양단계로 옮겨가는 에너지 흐름의 백분율을 생태적 효율이라 한다. 3) 생태 피라미드에서 생태적 효율은 보통 10%이다.      생태계에서 에너지는 흐르면서 형태가 변화되며, 모든 단계에서 일부 유용한 에너지가 열로서 없어진다.      이 과정에 열역학  제1법칙과  제2법칙이 적용된다. 열역학 제1법칙 열역학 제2법칙 <에너지 형태변화의 예>  열역학 제1법칙은 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변화될 수는 있지만 결코 새로이 만들어지거나 없어지지 않는다는 것이다.  생태계에서 의미를 살펴보면, 태양으로부터 온 빛에너지는 녹색 식물의 광합성에 의해 화학에너지로 축적 되었다가 소비자로 들어가고 소비자로 들어간 에너지는 분해자에 의해 다른 형태의 에너지로  이동된다는 것이다.  열역학 제2법칙에 의하면, 에너지는 변화될 때마다 조직화되고 집중된 형태에서 덜 조직화되고 보다 분산된 형태로 된다. 즉, 유용한 에너지가 다른 형태의 에너지로 변화될 때 100%의 효율로 되지 않고 많은 에너지가 열에너지로 변화되어 주위 환경으로 흩어진다는 것이다.  생태계에서의 의미를 살펴보면, 빛에너지가 광합성에 의해서 화학에너지로 변화되고, 식물이나 초식동물, 육식동물의 대사 과정에서 열에너지로 소모된다. 이렇게 소모된 태양에너지는 태양빛에 의해 계속 공급되므로 생태계에서의 에너지 흐름은 일방통행이다. 생태 피라미드와 생태적 효율  생태계에서 한 영양 단계로부터 다른 영양 단계로 에너지가 전이되는 양을 단계별로 표현한 것을 생태 피라미드라 한다. 그리고 한 영양 단계에서 다음 영양단계로 옮겨가는 에너지 흐름의 비율을 백분율로 표시한 것을 상태적 효율이라 한다. 보통 한 영양 단계의 10%만이 다음 단계에서 사용된다. 이것을 10%의 법칙이라고 한다. 그러므로 영양단계의 수는 보통 4-5단계로 제한되어 있다.