열에너지

열에너지(Heat Energy)는 열의 형태를 띠고 있는 에너지로, 물체의 온도를 변화시키거나 상태를 변화시키는 에너지이다. 단위는 줄(J)을 사용하며 어떠한 에너지 간에도 변환이 가능하여 열기관이 작동하고 물체 간 열전달이 일어난다.

개요

열에너지는 열과는 전혀 다른 개념이며, 계와 환경 사이에서 일어나는 자발적인 형태의 에너지 전달이다. 동시에 역학적인 일의 형태나 전도, 대류, 복사 등이 아닌 방법으로 일어나는 에너지의 전달이다. 한 열역학적인 계가 가지고 있는 열에너지의 양은 고전역학에서 한 계가 가지고 있는 일의 양과 마찬가지로 용어 자체가 성립할 수 없는 양이다. 한 역학적인 계가 다른 역학적인 계에 일의 형태로 에너지를 전달할 수 있는 것처럼, 열에너지는 한 열역학적인 계가 다른 열역학적인 계로 전달할 수 있는 에너지의 일종이다. 열에너지의 계는 경계 조건에 따라서 나뉘는 것으로 주변과 물질 및 에너지 교환이 단절된 경우 고립계, 주변과 물질 및 에너지 교환이 모두 일어난 경우를 열린계, 주변과 물질은 교환되지 않지만, 에너지는 이동하는 닫힌계가 있다.

역사

열에 관한 열학이 물리학의 한 분야로 등장하기 시작한 것은 18세기이며 그 당시 열은 물질로 간주하였고 그것을 열소라고 했다. 당시는 관념적 개념인 열소설이 지배적이었으나, 열소설로는 마찰에 의한 열의 발생 등을 설명할 수 없었고 톰슨이나 디바이 등에 의해 열은 물질이 아니라 역학적 일과 밀접한 관계를 맺고 있는 에너지의 한 형태임이 밝혀졌다. 이 관계를 좀 더 정량적으로 확립시킨 사람은 마이어와 영국 물리학자인 줄이다. 이들에 의해 열이 에너지의 한 형태라는 개념이 확립된 것은 19세기 초반이다. 또한, 이들은 열의 일 당량을 처음으로 측정하였다. 열을 정량적으로 측정하기 위해서는 열량이라는 물리량이 사용되는데, 열량의 단위로서는 일반적으로 칼로리가 사용된다. 더불어 열을 에너지의 한 형태로서 취급할 때는 에너지의 공통단위인 줄 이외에 에르그(erg)로도 표시한다.

열역학법칙

열역학 제0 법칙

열역학 제0 법칙은 열역학법칙 중 제일 늦게 1930년대에 제시되었으며 열역학적 평형을 뜻한다. 온도가 다른 물체를 접속하면 높은 온도를 지닌 물체 온도는 내려가고 낮은 온도의 물체 온도는 올라가서 결국 두 물체는 열평형 상태가 된다. 이와 같은 상태를 열역학 제0 법칙이라고 하며 즉, 열적으로 평형을 이루려고 함이다. 하지만 열역학 제0 법칙에서 다룬 열역학적 평형은 열에너지의 양의 평형이 아니다. 열에너지와 온도가 다르기 때문에 물체의 열에너지가 많고 적응에 따라 이동하는 것이 아니라 온도의 높고 낮음에 따라 열이 이동하게 되는 것이다. 물체의 열에너지가 동일하여도, 온도가 서로 다르면 열 이동이 발생하며 온도가 같아져야 비로소 열역학적 평형을 이룰 수 있다.

열역학 제1 법칙

열역학 제1 법칙은 에너지 보존법칙으로 불린다. 열과 일은 에너지의 한 형태로 일은 열로, 열은 일로 변환이 가능하다. 따라서 하나의 계가 가지고 있는 에너지는 형태만 바뀔 뿐 에너지의 총량은 일정하다는 것이다. 하지만 에너지가 사라지거나 생성되지 않지만, 형태만 변형된다. 즉, 물리적 현상에 따라 한 물체에서 다른 물체로 에너지가 옮겨가거나 물체의 에너지가 다른 에너지로 변환할 때, 항상 자연계 전체의 에너지의 총량은 일정하게 보존된다는 법칙이다. 이때, 자연계는 내/외부 간 에너지 출입이 없는 고립계를 의미한다. 따라서 에너지는 무에서 유로 생성이 되거나 유에서 무로 사라질 수 없다. 처음 에너지라는 개념이 발견되기 이전에는 기계적 작용, 열, 소리, 빛 등이 모두 다른 개념으로 사용되었지만, 에너지 개념의 발견으로 모두 설명할 수 있게 된다. 또한 에너지 보존법칙의 발견으로 모든 에너지가 서로 에너지 손실 없이 변환한다는 것을 알았다. 예를 들어 물체가 일정 위치에서 지상으로 떨어질 경우 위치에너지가 운동에너지로 변환되면서 속도가 증가하지만, 위치에너지와 운동에너지의 총합은 일정하게 보존된다.

열역학 제2 법칙

열역학 제2 법칙은 가역과 비가역의 법칙 또는 엔트로피 증가 법칙으로도 불린다. 고립된 계에서는 엔트로피가 증가하는 현상만 일어나며 감소하지 않는다. 에너지의 형태 중에서 엔트로피가 가장 높은 형태는 열의 형태이기 때문에 모든 에너지는 궁극적으로 열이 된다. 다른 말로, 사용해버린 에너지인 엔트로피가 높은 상태를 같은 양의 엔트로피가 낮은 에너지로 다시 되돌리는 것은 불가능하다. 예를 들면, 석유를 에너지로 쓰고 난 다음 다시 석유로 되돌리는 것이 불가능한 현상이 있다. 따라서 열역학 제2 법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제하는 성격을 띠고 있는데 이에 설명해보자면 에너지의 흐름은 엔트로피가 증가하는 방향으로 흐른다.

열역학 제3 법칙

열역학 제3 법칙은 네른스트 플랑크 정리로 불리며 절대 영도에서 엔트로피는 0이 된다. 즉, 절대 영도에 한없이 가까워지면 엔트로피 변화량은 무한히 0에 가까워진다.

종류

태양열 에너지

태양열 에너지는 태양으로부터 얻어지는 에너지로, 태양광 에너지는 빛에너지이지만 태양열 에너지는 열에너지라는 특징이 있다. 태양열은 열에너지를 활용하기 때문에 난방이나 온수 목적으로 설치를 하고 태양열 집열판을 사용한다. 태양열 집열판은 발전 설비를 사용하여 에너지를 변환시키는 것으로 여러 개의 파이프 관이 연결된 형태이며 열에너지를 받아 안의 물을 따뜻하게 데운다. 태양열 발전은 태양으로부터 받는 복사 광선을 집열판으로 흡수해 태양열 에너지를 모은다. 그리고 집열판으로 모인 열을 활용하여 전기에너지를 만들기도 하고 그대로 열에너지를 사용하기도 한다. 전기에너지로 변환하지 않고 모인 열을 직접적으로 난방이나 온수를 끓이는 데 활용한다. 태양열의 장점은 다양한 적용 및 이용성이 가능하며 무공해이고 제한 없는 청정에너지원이다. 또한 화석 에너지에 비해 지역적 편중이 적다. 하지만 초기 설치비용이 많고 계절별로 효율성 차이가 발생하여 봄, 여름은 일사량 조건이 좋으나 겨울에는 조건이 불리하다. 태양열 에너지의 시스템 구성은 세 가지의 구성으로 태양으로부터 오는 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치인 집열부와 열 교환되어 이용처에 활용될 매체를 저장하는 축열부, 급탕과 냉/난방, 산업용 등의 이용부가 있다. 태양열 에너지의 해외 기술개발 현황은 저온 분야의 경우 첨단소재 개발을 통한 시스템의 고효율 저가화에 집중하고 있으며, 중고온 분야의 태양열 발전, 태양열 화학 시스템의 응용 개발에도 연구투자가 증가하고 있다. 또한 태양열 에너지 적용 분야 중 집열효율이 높고 생산단가가 낮은 온수 급탕 및 난방 분야에 가장 많은 기술개발이 이루어져 시장형성 및 상용화 집중이 되고 있다. 더불어 국내의 경우 1970년대 초부터 대학과 연구소를 중심으로 연구를 시작하여 1988년부터 대체에너지 개발촉진법에 따라 정부 차원에서 기술을 개발하고 있다. 또한 태양열 에너지 보급 확대를 위한 태양열 온수기 등 활용 요소기술에 대한 효율 및 신뢰성 향상과 태양열 이용 분야 확대를 위한 중고온 시스템 개발을 병행 추진하고 있다.

수열 에너지

수열 에너지는 해수 표층 및 하천수에 저장된 열에너지로, 주로 건물의 냉/난방, 농가나 산업체 등에 필요한 열원에 이용한다. 수열 에너지는 자연 상태에 존재하는 에너지원으로서 부존량이 무한하므로 대규모의 열 수요를 충족시킬 수 있으며, 수열 냉/난방 시스템은 열을 이용할 때, 연료의 연소 과정이 필요 없음으로 친환경적이다. 수심 100m~200m 이상, 5도 이하의 차가운 해수를 이용할 경우 직접 열교환에 의한 냉방, 해저에서 분출되는 열수를 이용할 경우 직접 열교환에 의한 난방이 가능하다. 2015년 신에너지 및 재생에너지 개발, 이용, 보급 촉진법 시행규칙 일부 개정령에 의해 신재생에너지의 하나로 지정되었다. 더불어 2020년 9월, 한국토지주택공사가 제로 에너지 도시, 제로 에너지 주택에 수열 에너지 적용을 활성화하기 위해 시범사업에 착수하였다. 과거 국내에서 제로 에너지건축물 달성을 위한 신재생에너지는 대부분 태양광에만 국한되어 있었다. 태양광 패널의 효율과 적용성이 향상되고 비용이 낮아지면서 우수한 신재생에너지 생산수단이 되는 것은 맞지만 제한된 면적에서 태양광 패널만으로 도시, 공동주택에서 제로 에너지를 구현하기에는 한계가 있다. 특히, 국내 소비에너지의 약 60%는 열부하이지만 대부분 전기를 열로 전환하여 활용하는 비효율이 만연한 상황이다. 이에 따라 수열 에너지는 여름철 수온이 대기보다 낮고 겨울철에는 높은 특성을 가진 미활용에너지인 물을 열원으로 물이 가진 미활용에너지를 히트펌프기술로 냉난방/급탕에 활용하는 친환경 에너지이다. 우리나라에는 롯데월드타워에 적용되어 약 36% 전력 사용량을 절감했으며 해외사례로는 캐나다 토론토 냉방시설의 약 90%, 미국 코넬대 약 86%의 전력 에너지를 절감했다. 또한 2019년 국가 스마트시티 시범도시인 부산 에코델타시티에 수열 에너지 시범사업이 착수되어 2020년 6월 확정된 3차 추경안에는 수열 에너지 관련 예산 약 42억 원이 편성되는 등 국가정책으로도 수열 활성화에 강력한 의지를 보인다.

참고자료

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• 〈열에너지〉, 《네이버 지식백과》
• 한화토탈, 〈(쉽게 읽는 과학 2) 열역학 1법칙〉, 《티스토리》, 2019-12-06
• 〈열에너지〉, 《네이버 지식백과》
• 될놈, 〈열역학 법칙 정리 - 제 0법칙, 1법칙, 2법칙, 3법칙〉, 《네이버 블로그》, 2016-03-17
• 친절한 한국늑대, 〈(열역학 법칙)열역학 제0법칙이란 무엇인가?〉, 《티스토리》, 2020-09-17
• 사이언스올, 〈에너지 보존 법칙(law of energy conservation)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
• 사이언스올, 〈열역학 제2법칙(the second law of thermodynamics)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
• 해줌, 〈태양열?태양열에너지?태양광에너지랑 다른건가요?(ft.초저가로 태양광 설치하기)〉, 《네이버 블로그》, 2021-04-19
• 안양시청 공식 홈페이지 - https://www.anyang.go.kr/main/index.do
• 〈수열에너지〉, 《네이버 지식백과》
• 여인규 기자, 〈수열에너지, ZEC·ZEH 앞당긴다〉, 《칸》, 2020-09-06

같이 보기

• 에너지
• 열
• 전기에너지
• 전기

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