Reporting Date: October. 31, 2024
베서머 전로, 알루미늄 및 두랄루민의 발전,
그리고 정유 산업의 역할에 대해 다루고자 한다.
목차
01 17세기 영국
아이작 뉴턴은 17세기 과학 혁명을 이끈 중요한 인물로,
그의 이론과 발견은 전 유럽의 과학 기술 발전에 큰 영향을 미쳤다.
특히 중력 이론과 미적분학의 발전은 과학에 대한 투자를 촉진했다.
산업혁명
18세기 후반에서 19세기 초에 걸쳐 영국에서 시작되었으며,
증기기관의 발명과 활용이 중요한 역할을 했다.
기계가 증기기관의 힘으로 돌아가면서 생산성이 극대화되었고,
대량 생산된 제품을 철도와 같은 교통수단을 통해 빠르게 배송할 수 있게 되었다.
강철 수요와 생산 기술
산업혁명으로 인해 금속과 강철의 수요가 급증하면서, 기존 제철 방법의 한계가 드러났다.
전통적인 제철 방법은 낮은 온도에서 쇳물을 만들 경우 탄소(C) 함량이 높아지는 문제가 있었다.
이 문제를 해결하기 위해 망치질로 불순물을 제거하는 방법이 사용되었지만,
이는 비효율적이고 대량 생산에는 한계가 있었다.
02 베서머 전로 (Bessemer)
영국의 헨리 베서머가 발명한 베서머 전로는 철광석과 석탄,
그리고 용광로 밑바닥에 열풍인 산소를 주입하여 제철 과정을 효율적으로 개선했다.
이 과정에서 발생하는 탄소는 산소와 결합하여 이산화탄소로 변하며,
이를 통해 강철의 탄소 함량을 줄이는 데 성공했다.
산업혁명 시기, 고품질의 강철을 생산하기 위해서는
철광석에서의 탄소 함량을 정확하게 조절하는 것이 중요했다.
특히 탄소 함량이 1%로 적정해야 강철의 품질이 유지되는데,
변동성이 심한 과정에서 이를 일관되게 맞추는 것은 어려운 도전이었다.
문제점
탄소 함량의 변동성이 크면 강철의 품질이 달라지며, 이는 공급자의 입장에서 큰 문제였다.
품질 불량으로 인해 고객의 신뢰를 잃거나 파산의 위험에 처할 수 있었다.
해결책
무세트(Mushet)는 이 문제를 해결하기 위해 탄소를 완전히 제거한 후,
필요한 양의 탄소(1%)를 정확하게 첨가하는 방법을 제안했다.
이 방식은 강철의 품질을 일정하게 유지할 수 있게 해주었다.
무세트는 이 해결책에 대해 300파운드를 지불받았다.
이는 품질 유지의 중요성을 강조하는 사례로,
고품질 강철의 생산이 산업의 발전에 어떻게 기여했는지를 보여준다.
03 알루미늄 - Al
자연상태에서 산소와 결합하여 존재하며,
이를 분리하기 위해서는 3000도 이상의 높은 온도가 필요하다.
나폴레옹 3세는 알루미늄 식기를 사용하여 접대했으며,
이는 알루미늄이 녹슬지 않고 가벼우며, 철보다 밝은 특성 덕분에 인기를 끌었다.
그러나 초기에는 비싼 금속이었다.
전기 분해를 이용한 생산
1800년대 초, 배터리가 발명되었고, 1800년대 후반에는
발전소가 등장하여 전기 분해의 가능성이 열렸다.
이 시기에 다른 극에 다른 원소가 붙는 전기 분해 현상을 경험하면서
알루미늄의 활용을 고민하게 되었다.
바륨와 알루미늄 산화물이 썩인 빙정석에 1000도의 열을 가하면 액체가 되며,
여기에 알루미늄 산화물을 넣으면 녹아 섞인다.
마지막으로, 전기 분해를 통해 음극에 알루미늄이 분리된다.
이 과정을 통해 알루미늄을 효율적이고 저렴하게 생산할 수 있게 되었다.
04 두랄루민 (Duralumin)
알루미늄은 철만큼 강하지 않다는 단점이 있었다.
이를 해결하기 위해 합금을 만들어 보았지만,
초기에는 쓸만할 정도로 단단해지지 않았다.
그런데, 시간이 지나면서 단단해지는 시효경화 현상을 우연히 발견하여,
결국 강철만큼은 아니지만 사용 가능한 알루미늄 합금을 개발하게 되었다.
이 합금은 " Duralumin " 이라 불리며, 이는 내구성을 강조하는 이름이다.
활용
독일 탱크는 힘을 받지 않는 부분에 두랄루민을 대체하여 가벼워졌다.
이로 인해 연합군 탱크보다 빠른 기동력을 갖게 되어 압도적인 전력 차이를 보였다.
전쟁 후, 두랄루민이 내장된 비행기가 처음으로 여객기로 사용되었다.
이 여객기는 탄생 이후 약 72년 정도의 역사를 가지고 있다.
사고
비행기가 고도에 오르면
공기압력이 0.26 atm으로 감소하기 때문에,
내부 압력을 약 0.74 atm으로 유지해야 했다.
그러나 이러한 압력차로 인해 비행기 몸체가
지속적으로 팽창과 수축을 반복하며 큰 스트레스를 받았고,
결국 이를 견디지 못해 비행기에 구조적인 손상이 발생하는 사고가 있었다.
사고 원인을 조사한 결과, 비행기 유리창 모서리에서 힘의 집중 현상이 발견되었다.
이를 해결하기 위해 유리창을 외부는 원형, 내부는 사각형으로 설계하여
압력차를 효과적으로 분산시키는 방식을 도입했다.
이러한 개선은 비행기 안전성을 크게 향상시키는 중요한 전환점이 되었다.
05 정유 산업
(Refining Industry)
증류탑의 원리
증류탑에서는 300도에서 액체 상태로 변하는 물질을 걷어내고, 기체는 위로 상승한다.
이 과정에서 온도를 조금 줄이며, 각 성분의 끓는점에 따라 분리되는 원리를 사용한다.
증류탑의 원리를 활용한 정유 산업은
석유에서 다양한 화학 물질을 추출하고 정제하는 과정이다.
나프타(naphtha)는 초기에는 쓸모가 없던 물질이었으나,
이를 화학자들이 활용하여 기초 원료를 추출하고 연결 및 조절하여
새로운 물질을 만들어내는 데 성공했다.
인공소재
나프타와 같은 원료를 바탕으로 만들어진 인공소재는
석유화학 산업 분야에서 중요한 역할을 한다.
이러한 소재는 다양한 제품의 기초 원료로 사용되며,
현대 산업에서 필수적인 요소가 되었다.
첨단세라믹 개발
나프타를 활용한 화학적 조합 및 변형 과정을 통해 첨단세라믹과 같은 고기능성 물질들이 개발되었다.
이러한 첨단소재는 전자기기, 항공우주, 의료기기 등 다양한 분야에서 혁신적인 성능을 발휘한다.
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