고등학생을 위한 화학공학과 과목 소개 (화공열역학)

이번 글에서는 화공관련 학과를 희망하거나 관심이 있는 고등학생을 위해 화공열역학이라는 과목이 중요한 이유를 소개해보려고 합니다. 인터넷에 기계, 전자에 대한 정보는 많지만 화공에 관한 정보는 그에 비해 많지 않은 거같습니다. 그래서 화공계열을 희망하고 있는 학생들이 미래에 어떤 과목에 배울지에 대한 정보가 부족하다고 생각하였습니다. 고등학생들의 진로에 대해 도움을 주고자 실제 전공에서 어떤 내용을 다루는지 고등학생이 이해할 수 있는 정보를 다루겠습니다.

1. 열의 양을 예측하기 위해

화학공학은 주로 공장에서 제품 생산을 관리하거나, 제품을 만드는 과정을 연구하는 역할을 합니다. 그런데 뉴스에서 공장 폭발 사고 장면을 많이 보셨을겁니다. 대부분은 뜨거운 열에 대한 관리가 소홀해서 발생한 사건입니다.

화학반응을 배우다보면 열이 발생하거나 흡수된다는 내용을 들어보셨을겁니다. 그래서 실험을 하다보면 어떤 기구는 따뜻해지고 또 어떤 기구는 차가워지는 경험을 해보셨을겁니다. 그런데 공장에서는 실험실에서와 달리 몇십, 몇백 톤의 물질을 반응시켜 물건을 만들어냅니다. 실험실에서는 많아야 10g정도를 사용하는데 공장에서 몇 십 톤의 물질을 사용하면 엄청나게 많은 열을 발생시킬 수 있습니다. 이런 열을 관리하고, 예측하지 못한다면 엄청난 열로 인한 폭발사고를 발생시킬 수 있습니다.

이러한 사고를 막기위해 어떤 반응의 열을 계산하고 예측하여 수량을 제한하는 역할을 화공 엔지니어가 합니다. 따라서 열에 대한 지식을 많이 갖추어야합니다.

2. 반응의 방향을 예측하기 위해

열과 관련된 학문이 왜 반응의 방향과 관련되어 있는지 궁금하실 수도 있습니다. 열역학에서는 열의 상위개념인 에너지에 대해 다룹니다. 에너지의 형태중 하나가 열이라는 뜻입니다. 에너지에서 가장 중요한 개념인 “깁스에너지”라는 개념을 배웁니다. 이 깁스에너지는 우리가 실험으로 온도, 압력, 부피를 알고 있다면 계산을 통해서 구할 수 있는 것입니다. 깁스에너지를 실험과 계산을 통해 구했다면 평형계수 “K”와의 관계식을 통해 K의 값을 구합니다. 이 평형상수를 알고 있다면 반응이 정반응으로 향하는지, 역반응으로 향하는지, 얼마나 반응이 진행되는지 구할 수 있습니다. 쉽게 말하자면, 실험을 통해 어떤 반응의 부피,온도,압력을 구하는 것만으로도 반응이 얼마나 진행되는지 알 수 있다는 뜻입니다.

반응의 방향, 정도가 왜 중요할까요?

고등학생때 까지는 반응이 일어나서 어떤 물질이 생성되는지 배우지만, 얼마나 반응이 일어나는지는 배우지 않습니다. 산업에서는 얼마나 효율적으로 물질을 만드는지 매우 중요합니다. 같은 물질을 만들 때 효율적인 반응을 사용한다면 비용을 줄일 수 있기 때문이죠. 따라서 가장 좋은 효율의 반응을 사용하기 위해 위에서 언급했듯이 평형상수를 구해서 반응의 정도를 구할 수 있게 됩니다.

3. 물질의 상이 바뀌는 이유를 설명하기 위해

    우리는 물에 열을 가하면 100도에서 끓어서 수증기가 되고, 얼리면 0도에서 얼음이 되는 것을 알고 있습니다. 왜 하필 이 온도에서만 얼고 끓을까요? 왜 다른 물질, 예를들면 철, 마그네슘같은 금속물질은 100도에서 끓지 않을까요?

화공열역학에서 이를 설명하기 위해 “화학포텐셜”이라는 용어를 정의합니다. 그리고 물질의 상은 항상 화학포텐셜이 더 낮은 상으로 바뀝니다. 예를 들면, 100도에서는 물보다 수증기의 화학포텐셜이 더 낮고, 0도와 100도 사이에서는 수증기와 얼음보다 물의 화학포텐셜이 낮고, 0도 아래에서는 얼음의 화학포텐셜이 더 낮습니다. 따라서 100도에서는 수증기, 0도와 100도 사이에서는 물, 0도 아래에서는 얼음으로 존재하는 것입니다.

산업에서도 이러한 개념이 매우 중요합니다. 어떤 물질은 25도에서 액체로 존재하지만, 어떤 물질은 기체로 존재할 수 있습니다. 석유를 분리하는 정유 회사에서 기름을 분리할 때 더 낮은 끓는점을 갖는 물질이 먼저 기체상태로 바뀌어 분리할 수 있다는 것도 이 같은 이유입니다.

 

결론

이번 글에서 화공열역학이 중요한 이유에 대해 알아보았습니다. 열역학이라는 단어는 고등학교 물리시간에 카르노 기관과 함께 잠깐 배우셨을 겁니다. 하지만 대학교 이상에서는 열역학이라는 과목은 매우 중요한 학문이고 모든 과목의 기초입니다. 열역학에 관한 지식이 탄탄하다면 우리 실생활에서 일어나는 많은 현상들도 이해할 수 있는 훌륭한 학문입니다.