휴대용 손난로 - 인형, 핫팩, 똑딱이 손난로의 원리

[휴대용 손난로 - 인형, 핫팩, 똑딱이 손난로의 원리]

저렴하고 사용이 편리하여, 겨울이 되면 휴대용 손난로를 많이 찾습니다. 그 중에서 산화형 핫팩 손난로는 일회용이고 액체형 똑딱이 손난로는 재사용이 가능합니다. 흔들거나 금속을 튕겨서 열을 내는 화학적 원리를 이용하는 것들입니다. 보통 아무 생각 없이 그냥 쓰는 것이지만, 거기에는 매우 재미있는 과학적 원리가 숨어 있습니다. 

손난로의 종류 - 똑딱이, 핫팩, 충전식, USB 손난로

손난로는 학생과 군인들에게 특히 인기가 높습니다. 예전에는 숯을 넣는 목탄식 손난로나 기름을 넣는 지포손난로 등을 썼지만, 지금은 종류도 다양해졌습니다. 간편하게 사용할 수 있는 생활 손난로에는 액체가 고체화되면서 열을 내는 원리의 똑딱이 손난로와 주머니를 흔들어서 열을 내는 원리의 핫팩 손난로가 있습니다. 거기다가 모양도 예쁘고 장식의 의미까지 가진 손난로인형도 판매되고 있는데, 밀알을 넣어서 레인지에 데워 사용하는 방식입니다. 사무실에서는 컴퓨터에 뽑아서 사용하는 USB 손난로도 인기가 있습니다. 

(사진: 추운 겨울, 손난로의 계절이 시작되고, 밖에서 활동하는 시간이 긴 사람들은 따뜻한 손난로를 찾게 된다. [손난로의 종류 - 똑딱이, 핫팩, 충전식, USB 손난로] / ⓒ Gregor Samsa)

고체형인 핫팩 손난로의 원리는 공기와 접촉하게 흔들어서 주머니 속의 쇠가루를 산화시키는 것입니다. 산화라는 것은 산소와 만나서 반응한다는 뜻입니다. 쇠는 공기 속의 산소를 만나면 녹스는 성질이 있어서 이를 이용합니다. 액체형의 똑딱이 손난로의 원리는 충격에 약한 분말을 물에 녹였다가 똑딱이 금속으로 충격을 줘서 열을 발생시키는 것입니다. 작은 충격에도 쉽게 반응하는 물질들은 액체에서 고체로 변화될 때 열을 방출하게 되는데, 이 열을 흔히 잠열이라고 부릅니다. 산화나 잠열은 화학적 성질을 이용하는 것이기 때문에 원리를 알아두면 과학 탐구에 도움이 됩니다. 

(사진: 목탄식 손난로를 검색한 모습. 예전에는 불편한 방식이었으나 최근엔 깔끔하고 편리하게 바뀌었다. [손난로의 종류 - 똑딱이, 핫팩, 충전식, USB 손난로] / ⓒ 다음쇼핑 검색 캡처)

지포손난로는 화력이 가장 좋아서 야외활동을 하는 경우 효율적입니다. 가격은 2만 원 정도이고 기름은 몇 천원밖에 안 해서 화력에 비해 저렴하지만 기름을 넣는 불편함이 있습니다. 쇼핑 검색할 때 '백금촉매방식'이라면 지포형이라고 보면 되겠습니다. USB 손난로 가격은 1~2만 원대에서도 잘 고르면 쓸 만한 것이 있고, 손난로인형의 가격은 차이가 큰데 몇 천원부터 2만원이 넘는 것까지 다양합니다. 역시 학생들에게 가장 부담 없는 것은 핫팩 손난로와 똑딱이 손난로입니다. 대체적으로 고체형 핫팩이 액체형 손난로보다는 싼 편이지만, 옷 안에 장착하는 형태 등 종류가 많아서 가격이 높은 것도 많습니다. 최저 몇 백 원짜리도 있기 때문에 학생들이 좋아합니다. 

(사진: 지포손난로를 검색한 모습. 화력이 매우 좋은 지포형은 라이터모양이 많이 팔리고 있다. [손난로의 종류 - 똑딱이, 핫팩, 충전식, USB 손난로] / ⓒ 다음쇼핑 검색 캡처)

똑딱이 손난로의 과학 원리

액체가 열을 내며 고체가 되는 원리의 똑딱이손난로는 핫팩 손난로보다 몇 번 더 재활용이 가능하다는 장점이 있습니다. 그 원리는 재료가 '아세트산나트륨'이라는 데에 있습니다.('하이포'라고 부르는 '티오황산나트륨'을 쓰기도 합니다.) 이들은 분자가 불안정하기 때문에 충격을 받으면 쉽게 고체화된다는 특징이 있습니다. 함께 들어있는 금속 똑딱이는 충격을 주기 위한 도구입니다. 원래의 아세트산나트륨은 분말형의 고체이지만, 물에 녹이며 열을 가하면 액체가 되고, 충격을 받으면 다시 고체가 되는 것입니다. 그리고 다시 열을 가하면 또 액체가 됩니다.

(사진: 액체손난로로 검색한 모습. 재사용이 가능하다는 것이 가장 강점인데, 똑똑이 액체형 손난로는 아세트산나트륨을 사용한다. [휴대용 똑딱이 손난로의 과학 원리] / ⓒ 다음쇼핑 검색 캡처)

세상의 모든 물질은 분자로 되어 있습니다. 그리고 분자들은 인력에 의해 연결되어 있습니다. 물체가 고체냐 액체냐의 구분은 간단합니다. 분자가 에너지가 적어서 인력에 묶여 있느냐, 에너지가 많아서 인력을 끊고 자유로워지느냐의 차이일 뿐입니다. 그래서 얼음에 열을 가하면 물이 되고, 더 가하면 완전히 자유로워져서 수증기로 날아갑니다. 열을 가한 아세트산나트륨 액체는 에너지가 높고, 고체는 에너지가 적다고 생각합시다. 충격에 의해 고체가 되어버린 똑딱이 손난로는 액체일 때 받은 에너지를 어떻게 해야 할까요? 숨겨 놓았던 에너지를 다 토해내야 합니다. 이때 열이 발생하게 됩니다. 똑딱이 손난로의 원리는 분자와 열의 과학인 것입니다. 

(사진: 액체 손난로의 금속은 아세트산나트륨의 분자구조에 충격을 가하는 역할을 한다. [휴대용 똑딱이 손난로의 과학 원리] / ⓒ wikimedia.org)

똑딱이 손난로의 원리는 액체가 되면서 받은 열을 고체가 되면서 다시 방출하는 것입니다. 특히 아세트산나트륨을 사용하는 것은 고체가 잘 되기 때문입니다. 그리고 똑딱이 금속이 튕겨질 때 분자를 흔들어서 충격을 주는 역할을 하게 됩니다. 

불안정한 분자를 가진 물질이 밀폐된 비닐 속에서 에너지만 주고받는 것이므로 핫팩 손난로와 달리 재사용이 가능한 특징도 생깁니다. 고체가 된 똑딱이 손난로는 물에 넣고 끓여서 다시 사용할 수도 있습니다. 그러나 비닐이 터져 내부 물질이 인체에 닿게 되면 호흡곤란, 구토, 설사, 눈의 자극 등이 발생하니 취급에 주의해야만 합니다. 초등학생도 사용하는 보온용품인데 이런 주의사항이 적혀있지 않는 것은 유감스러운 일입니다. 

(사진: 손난로인형으로 검색한 모습. 밀알을 데워서 사용하는 손난로인형은 장식을 위한 선물용도 많다. [휴대용 똑딱이 손난로의 과학 원리] / ⓒ 다음쇼핑 검색 캡처)

핫팩 손난로의 과학 원리

핫팩은 액체형 똑딱이 손난로보다 높은 열을 내지만 일회용 손난로로 사용됩니다. 보통 부직포 주머니에 들어 있어서 흔들거나 비비면 열을 내는 것이 핫팩 손난로의 원리입니다. 핫팩 손난로에는 곱게 갈은 쇠가루와 염화나트륨, 탄소가루 등이 들어 있습니다. 똑딱이 손난로에서는 얇은 금속이 촉매제 역할을 하는데 핫팩에서는 염화나트륨이 그 역할을 합니다. 손난로인형은 쌀알 같은 밀알이 들어 있는데, 직접적으로 가열해서 열을 넣고 다니는 방식이지만, 쇠가루형과 액체형은 화학적 변화를 이용하는 것이기 때문에 촉매제가 필요합니다. 핫팩은 쇠가루를 곱게 갈아서 공기와 분자의 접촉면이 많아질수록 더 고열을 내는 원리입니다. 

(사진: 고체 손난로의 쇼핑몰 판매 사진. 부직포 주머니에 쇳가루가 들어 있다. 산화를 이용한 솟난로의 원리를 이용했다. [휴대용 핫팩 손난로의 과학 원리] / ⓒ 暖火)

불에 탄다는 것은 무엇일까요? 과학적으로는 산소와 결합하는 과정입니다. 그게 급속히 일어나는 것에 나무가 있고 아주 천천히 일어나는 것에는 금속이 있습니다. 금속이 녹이 쓴다는 것은 산소와 결합해서 매우 천천히 불에 타고 있다는 것입니다. 주머니에 들어 있는 쇠가루는 핫팩 손난로가 그런 원리로 열을 내게 만듭니다. 불에 타면 열이 발생하듯이 천천히 산화작용을 하면서 열을 내는 것입니다. 그래서 똑딱이 손난로는 재가열하여 사용이 가능하지만 핫팩손난로는 한번 쓰고나면 버리는 일회용 보온용품이 됩니다. 쇠가루에 모두 산소가 붙고나면 다시 쓸 수 없는 것입니다.

[저작권법 표시] 이 글의 원본: 키스세븐(www.kiss7.kr)

 

(사진: 고체 핫팩 손난로에 들어있는 쇳가루. 산소와 반응하는 핫팩 손난로의 원리는 산화작용이다. [휴대용 핫팩 손난로의 과학 원리] / ⓒ wikimedia.org)

똑딱이 손난로에 비해 발열 시간이 적지만, 핫팩 손난로의 원리를 역으로 이용하면 좀 더 오래 가게 할 수도 있습니다. 흔들어서 열을 낸 후, 비닐 등으로 밀봉하여 산소의 공급을 최대한 막는 것입니다. 그러다 식어서 온도가 내려가면 꺼내서 다시 흔들어 산소를 공급하고 비닐에 넣습니다. 그런데 생각해 볼 것은, 과연 쇠가루를 손으로 만지는 것이 인체에 안전한가 하는 것입니다. 산소와 만나야 하니 주머니에는 작은 구멍들이 뚫려 있습니다. 소량이라도 계속적으로 나오는 쇠가루는 의구심을 가지게 합니다. 심지어 어린이의 경우 화상을 입기도 합니다. 과거에는 쇠가루의 빠른 반응 때문에 폭발이 발생하기도 했으니 취급에 주의를 필요로 하는 보온용품입니다.