태양 에너지의 생성과 전환

해당 차시 학습지 파일

태양 에너지의 생성과 전환.hwpx

0.33MB

통합과학 전개도

 

판서 조직도

 

스위스 특허국에서 근무한 한 공무원의 이야기로 오늘의 물리학이 시작됩니다. 그는 특허국에서 보낸 시간의 대부분을 ‘시계의 시간을 어떻게 정확히 맞출 것인가’라는 다소 따분하고 단순한 일에 할애하였어요. 그러나 그는 자신이 맡은 일에 진심이었습니다. 이 진중함은 그로 하여금 시계의 단조로운 리듬 속에서 우주의 복잡한 심장박동을 발견하게 했어요. 오늘의 물리학은 그 여정을 따라가며, 우리 안의 우주적 불꽃을 발견하도록 일조합니다.

 

Fire, Something special

 

하늘에서 내리치는 번개나 땅 아래에서 솟구치는 용암이 불일까요? 그렇지 않습니다. 불은 연소라는 아주 특별한 화학반응의 산물이에요. 태양의 빛에너지에 의해 식물은 탄소를 저장하고, 그 덕분에 지구의 공기 중에 산소가 풍부해졌습니다. 이 모든 연결의 끝에서 비로소 불이 피어나요. 그렇게 보면 불은 단순한 에너지 현상이 아니라, 태양·식물·지구 대기의 협연이 빚어낸 지구적 사건입니다. 광활한 우주를 둘러봐도 연소할 물질과 산소가 함께 존재하는 곳은 드뭅니다. 그래서 지구는 불이 붙을 수 있는, 그야말로 특별한 행성입니다. Fire, Something special.

 

Human, Creative special

불을 관리하고 지배할 수 있는 최초의 생물이 등장한 것은 역사적으로 큰 의미를 가집니다. 다른 동물은 그 뜨거운 기운을 못 이겨 지레 피해서 멀리 도망쳤어요. 오로지 인간만이 활활 타오르는 불꽃, 그 붉은 꽃에 매료되어 눈이 뚫어지게 관찰했습니다. 불을 두려워하지 않고 다가간 인간은 마침내 그 불을 길들여 어둠을 몰아내고, 음식을 익히며, 금속을 녹였습니다. 불은 인간의 손에서 기술이 되었고, 기술은 문명이 되었어요. 이처럼 불을 손에 쥐는 것은 손안에 작은 태양을 부여잡는 것과 같습니다. 진화의 마지막 끝자락에 나타나 존재감이 미미했던 인간이 드디어 거대한 불의 힘을 장착해 지구의 미래를 창조해 가기 시작했어요. Human, Creative special.

 

Sun, Luminous special 

 

옛날 사람들은 태양이 석탄과 산소로 이루어진 거대한 불덩이라고 생각했습니다. 즉, 태양이 밝게 빛나는 이유를 화학적 연소 과정으로 설명하려고 했죠. 하지만 그 설명대로라면 태양의 수명은 겨우 천 년 남짓에 불과했을 것입니다. 왜냐하면 태양은 초당 약 3.9 × 10²⁶J의 에너지를 내보내고 있기 때문이에요. 심지어 이러한 에너지의 방출은 무려 46억 년 동안이나 지속되고 있습니다. 그 막대한 에너지 중 아주 일부분이 지구에 닿아, 우리가 살아갈 수 있는 빛과 열이 되어 주고 있습니다. Sun, Luminous special.    

 

1. 태양 에너지의 전환

지구에 도달한 태양 에너지는 연속적인 과정을 거치며 다양한 형태의 에너지로 전환되어 지구 환경과 지구의 모든 생명체에 영향을 주며, 일상생활에 활용됩니다. 

1) 태양의 열에너지

 

태양의 열에너지에 의해 물과 대기가 순환되는 과정에서 다양한 에너지 흐름이 일어납니다.

 

2) 태양의 빛에너지

 

태양의 빛에너지에 의해 탄소가 순환되는 과정에서 다양한 에너지 흐름이 일어납니다. 

 

Einstein, Someone special

 

사실 태양은 불이 아니라 별, 태양 또한 저 멀리 어딘가에 살고 있을 외계인에게는 밤하늘을 밝게 수놓는 별 중의 하나입니다. 이처럼 태양을 비롯한 별들이 스스로 빛을 내는 이유는 무엇일까요? 그리고 태양이 방출하는 어마무시한 에너지는 어디에서 비롯된 걸까요? 그 질문들의 답에 대한 힌트를 스위스 특허국의 공무원, 바로 아인슈타인이 발견했습니다. Einstein, Someone special.

---

 

특허국에서 시계 관련 발명을 심사하며 ‘시간이란 무엇인가’를 고민하던 아인슈타인은, 시간과 공간이 서로 얽혀 있다는 통찰을 얻습니다. 마치 시간이 흐르며 모래가 쌓이는, 즉 시간을 공간화한 장치인 모래시계처럼, 시간과 공간은 유기적인 관계로 나타날 수 있다는 생각이었죠. 이렇게 시간과 공간의 상대성이 탄생하였습니다. 그러나 머지않아 이 아이디어는 뉴턴의 운동 제3법칙, 운동량 보존 법칙과 충돌하게 되죠. 아인슈타인은 그 모순을 해결하기 위해 질량과 에너지의 관계를 새롭게 정의해야만 했습니다.

 

2. 태양 에너지의 생성

1) 질량 에너지 등가 원리

 

아인슈타인은 질량도 에너지의 한 형태이며, 질량과 에너지가 서로 전환될 수 있다는 '질량 에너지 등가 원리'를 발표합니다. 그림의 오른쪽 수식이 '질량 에너지 등가 원리' 이론 그 자체예요. 이 식이 우리에게 전하는 메시지는 질량이라고 부르던 것이 단순히 물질적인 것에 불과하지 않다는 것입니다. 20세기말까지만 해도 질량은 손으로 만질 수 있는 현실적인 실체였어요. 그리고 에너지는 보존 법칙 및 엔트로피 법칙과 관련된 추상적인 개념에 지나지 않았습니다. 그러나 E=mc² 이라는 질량 에너지 등가 원리가 등장하면서 에너지와 질량 사이의 등가성이 성립되고, 추상적인 것과 현실적인 것은 뒤섞이게 됐어요.

 

초현실주의 화풍, (좌) 살바도르 달리의 작품 (우) 피카소의 작품

 

2) 태양의 에너지원

 

온도와 압력이 매우 높은 태양 중심부에서는 수소 원자핵 4개가 결합하여 헬륨 원자핵 1개로 융합되는 반응이 일어납니다. 이때 질량이 약간 감소함을 확인할 수 있어요. '질량 보존 법칙'에 따르면 반응 전후 총질량은 보존되어야 하지만 이 반응에서의 총질량은 명백히 감소합니다. 질량을 물질적인 것으로만 여긴다면 설명되지 않는 현상이지만, 질량이 에너지로 바뀔 수 있다면 설명되는 현상이죠.

 

△m: 반응 시 감소한 질량

 

감소된 질량은 'E= △ mC² ( △ m= 감소된 질량)'식을 만족하는 만큼의 에너지로 전환되어 방출됩니다. 이렇게 서로 다른 원자핵이 합쳐져 새로운 원자핵이 만들어지는 반응을 '핵융합'이라 하며, 이 핵융합 반응이 태양의 에너지원입니다. 즉, 태양은 석탄을 태우는 것이 아니라 수소를 태움으로써 에너지를 만들어요. 즉 수소가 '연료'이고 헬륨이 '타고 남은 재'와 같습니다.

---

태양의 핵융합은 궁극의 효율을 자랑합니다. 우리 몸이 태양과 같다면 전 생애 동안 음식을 0.5그램 이하로 먹어도 된다고 하네요. 수소의 핵융합 반응을 바탕으로 계산된 태양의 수명은 약 100억 년이라고 합니다. 즉 지금의 태양은 딱 절반만큼 살아온 청년인 셈이죠. 앞으로 남은 50억 년 동안, 태양은 수소를 태워 헬륨을 재로 남기며 한없이 성장해갈 것입니다. 그러나 모든 것에는 끝이 있는 법.

Supernova, Cosmos special

 

죽음을 앞둔 별은 그에 굴복하지 않고, 생의 그 어느 때보다 맹렬히 뜨거워지고, 찬란한 빛을 밝힙니다. 그리하여 별은 우주 공간에 자신의 조각들을 흩뿌리며 장렬하게 죽음을 맞이합니다. 별의 조각들은 오랜 시간 동안 우주를 돌아다니며 뭉치고 흩어지기를 반복하다 지구라는 행성을 이루기도 하고, 생명들과 인간의 몸을 이루기도 했어요.

 

결국 우리는 별의 조각으로 이루어진, 죽음이 무색하게 뜨겁고 찬란했던 별의 최후, supernova가 낳은 별의 후손입니다. Supernova, Cosmos special.

 

Supernova - aespa

https://www.youtube.com/watch?v=cFWizFSUe0I

 

I, Definitely special

 

우리는 별의 후손이기에 고통에 굴하지 않는 뜨거운 열정과 미래에 대한 낙관을 비롯한 별의 기개를 물려받았습니다. 새로움의 씨앗을 혁신으로 싹 틔울 거대한 explosion, 우리 안의 supernova. 그 어떤 냉혹한 현실일지라도, 막연한 미래일지라도 결코 우리의 hyperstella를 멈출 수 없습니다. 별의 후손인 우리의 고향은 무한의 우주. 그렇기에 우리에게는 무한의 가능성이 잠재돼 있습니다. You and I, Definitely special. aespa의 Supernova를 들으며, 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.