손난로원리

손난로는 겨울철에 야외에서 활동해야 할 경우 차가와진 손을 간단하게 덥혀주는 주머니 속의 친구이다. 전기나 연료를 사용하는 종류를 제외하면 손난로는 두 가지로 나눌 수 있다. 한 번 사용하고 버리지만 따뜻함이 좀 더 오래 지속되는 흔들이 손난로와 재사용을 할 수 있는 똑딱이 손난로가 그것이다.     흔들면 따뜻해진다

두 종류의 손난로는 서로 다른 원리로 열을 방출한다. 먼저, 흔들이 손난로 안에는 철가루, 소량의 물, 소금, 활성탄, 질석, 톱밥이 들어 있다. 철은 공기 중에서 산소와 결합하여 산화철이 되어 녹이 슨다. 산화되기 전 반응물보다 산화된 후 생성물의 전체 에너지가 낮아 안정해지므로 이 반응은 자발적으로 일어나며 열이 방출 된다. 즉 철은 가만히 놓아두면 자연히 녹이 슨다는 말이다. 이 반응은 보통 매우 천천히 일어나서 철이 녹슬 때 열이 생기는 것을 느끼기는 어렵다. 그러나 손난로 안에는 적당한 크기의 고운 철가루가 들어 있어서 철이 매우 빨리 산화되고 몇 분 내에 온도가 30℃~60℃까지 올라간다. 덩어리보다 가루가 물에 빨리 녹듯이 물질의 표면적이 클수록 화학 반응의 속도가 빠르기 때문에 철가루를 사용하는 것이다.

손난로를 흔들면 그 안에 들어있는 철가루, 소량의 물, 소금, 활성탄 등이 반응을 일으켜 열을 내게 된다. <출처: wikipedia>

 

소금과 활성탄도 반응이 빨리 일어나는 것을 도와준다. 또한 물과 산소가 없으면 철의 산화는 일어나지 않으므로 소량의 물이 필요하고 손난로의 봉지를 뜯어 산소와 접촉할 때야 비로소 산화가 시작된다. 질석과 톱밥은 충전재, 단열재의 역할을 한다. 철이 다 산화되면 반응이 멈추고 손난로는 다시 사용할 수 없다.     재사용이 가능한 손난로

똑딱이 손난로 안에는 겔 상태의 투명한 물질과 홈이 파인 금속판이 들어 있다. <출처: wikipedia>

똑딱이 손난로 안에는 겔 상태의 투명한 물질과 홈이 파인 금속판이 들어 있다. 금속판을 구부려 꺾으면 주위에 하얀 결정이 자라나기 시작하면서 봉지가 뜨거워진다. 흔들이 손난로와는 달리 열이 식은 후에 봉지를 끓는 물에 넣어 데우면 다음에 다시 쓸 수 있다.   겔 상태의 물질은 아세트산나트륨 과포화 용액이다. 과포화 용액은 어떤 온도에서 용매에 녹을 수 있는 것보다 더 많은 용질이 녹아 있는 용액이다. 높은 온도에서 용질을 녹인 후 천천히 식혀서 만든다. 이 때 고체 상태가 되지 않으나 투명하고 균일한 겔 상태가 된다. 이런 과포화 용액은 매우 불안정해서 작은 충격에도 쉽게 과포화 상태가 깨지면서 결정이 만들어진다. 액체에서 고체로 바뀌므로 에너지가 방출되는 과정이다.

 

어떤 종류는 과포화 상태가 다른 과포화 용액에 비해 상당히 안정한데 손난로의 재료로 사용되는 아세트산나트륨이나 티오황산나트륨이 그런 물질이다. 손난로 안에 들어 있는 금속판에 압력을 주어 구부리면 아세트산나트륨 과포화 용액의 결정화가 시작된다. 구부릴 때 딸각하고 소리가 나는데 이 때 발생하는 에너지가 주위의 아세트산나트륨에 전달되어 이들의 불안정한 상태가 깨지면서 결정이 만들어지기 시작해서 연쇄적으로 결정화가 일어나고 용액 전체가 즉시 고체로 바뀐다. 열은 이 때 방출된다. 모든 아세트산나트륨이 용액에서 결정화된 후 단열재 등에 의해 열은 서서히 사그라지고 고체 아세트산나트륨 덩어리가 남는다. 아세트산나트륨 결정을 다시 용액으로 만들려면 뜨거운 물에 봉지를 넣으면 된다. 봉지가 찢어지지 않으면 이 과정은 반복해서 일어날 수 있다. 흔히 핫팩으로 불리는 손난로는 화학적 원리를 간단한 일상용품에 응용한 좋은 예라고 할 수 있다.