손난로 불꽃도 없는데 어떻게 따뜻해져요?

손난로 안에 들어있는 금속판, 뭔가 특별한 것이예요?

겨울철 추울 때 손난로는 무척 유용하다. 휴대하기도, 사용하기에도 좋기 때문이다.

가방이나 호주머니에 넣었다가 봉투를 뜯거나, 내부의 금속을 꺽으면 그 즉시 손난로가 따듯해진다. 연기도 나지 않고, 성냥이나 라이터에 불을 붙일 필요도 없다.

액체가 들어있는 손난로의 경우 안에 있는 금속판을 가볍게 꺽어주기만 하면 된다. 오늘 아이가 손난로를 이용하면서 물어본다.

“안에 있는 금속이 특별한 것이예요? 이 금속이 열을 내는 것인가요?”

알쏭달쏭 알듯말듯한 손난로의 원리에 대해 알아보고자 한다.

옷에 붙이는 방식의 편리한 손난로, 포장만 개봉하면 동작되는 산화방식 손난로

  

포장지를 뜯어 흔들어주면 따뜻해지는 손난로는 쇠가 녹슬면서 발생되는 열을 이용하는 것

물질은 상태가 변하면서 열을 내거나 흡수한다. 고체, 액체, 기체는 각각 다른 상태로 변하면서 열을 발생시키거나 흡수한다. 분자들이 조밀하게 구성되어 있는 고체가 액체로, 액체가 기체로 변할 때 운동성을 확보하기 위해 주변의 열을 흡수한다. 반대로 기체가 액체, 고체로 각각 변할 때는 열을 방출한다.

이러한 원리를 이용한 것이 에어콘이다. 에어콘의 냉매를 액체 상태에서 기체 상태로 변화 시키면 주변의 열을 흡수해 차가워진다. 이때 여기에 모터로 바람을 내보내면 차가운 바람이 생긴다.

손난로의 경우 쇠가 녹스는 현상을 이용한다. 쇠는 녹이 슬 때 열을 방출한다. 그러나 집안에 쇠못이 녹슬더라도 우리는 이러한 열 방출을 느낄 수 없다. 산화가 천천히 진행되고 넓은 공간에서 발생되기 때문이다.

그러나 쇠를 잘게 가루 형태로 만들어 놓고, 산화를 촉진시키는 물질을 넣어두면 상황이 달라진다. 산화가 급격히 진행되는 것이다. 이 과정에서 많은 열이 발생된다. 포장지를 뜯어 흔들면 동작되는 손난로는 이러한 산화 작용을 이용한다.

실제로 손난로 안에는 쇠가루가 들어있다. 산화현상을 촉진시키는 수분과, 활성탄, 소금도 들어있다. 산화 현상에 필요한 산소(공기)의 경우 포장지를 밀봉해 평상 시 이를 제한한다. 사용하지 않을 때 손난로를 아무리 흔들어도 포장지에 의해 산소가 차단되기 때문에 동작되지 않는 것이다.

따라서 손난로의 포장지를 뜯어 산소를 공급하고, 쇳가루가 잘 섞이도록 손난로를 흔들어 주면 비로소 손난로가 따뜻하게 동각된다.

이러한 방식의 손난로는 공기에 의해 동작되기에 Air activation 손난로라고도 한다. 산화 작용에 따른 발열을 영어로는 Exothemic oxidation이라 한다. 손난로는 영어로 Hand warmer라고 한다(참고 사이트).

내부에 있는 쇠 단추를 눌러 동작시키는 손난로는 불안정한 물질의 열 방출 효과를 이용하는 것

손난로 제품 중에는 비닐 백 속에 액체가 들어있고, 내부에 들어있는 쇠로 된 단추를 누를 때 비로소 동작하는 것이 있다.

이는 쇠가 녹스는 방식을 이용하지 않는다. 안에 들어있는 액체 상태의 물질은 불안정한 상태의 과포화 용액이다. 무엇인가 과포화 되어 있다는 것은 불안정하다는 의미이다. 또한 과포화를 위해 에너지를 갖고 있기 때문에 안정화 단계에서 열을 방출할 수 밖에 없다.

내부에 들어 있는 쇠 단추의 쇠는 특별한 것이 아니다. 다만 쇠 단추를 누르면서 발생되는 열이나 흐름이 내부에 있는 과포화 용액의 반응을 촉진시키는 것이다. 쇠 단추를 누르면 과포화 용액은 불안정한 상태에서 안정된 상태의 고체로 변하면서 열을 방출한다. 이때 손난로의 열이 발생되는 것이다.

이 방식의 손난로를 사용하면 딱딱한 고체 상태로 바뀐다. 여기에 열을 가해 내부 물질을 다시 액체의 과포화 상태로 만들면 다시 이용할 수 있다. 원리상 재 사용이 가능한 것이다.

과포화 용액은 Supersaturated Solution이라하며 Sodium Acetate가 사용된다.

라이터 연료, 배터리, 숯을 이용하는 손난로도 있다.

라이터 연료를 이용해 열을 발생시키는 손난로도 있다. 일본의 Hakkin Warmers사에서 만든 Peacock라는 브랜드의 손난로가 이에 해당된다. 가동 시키면 12시간에서 24시간 정도 동작된다.

배터리를 이용해 전기로 열을 발생시키는 방식도 있다. 통제된 상황에서 숯을 태워 열을 발생시키기도 한다. 통상 6시간 정도 지속된다고 한다. 

요즘 가장 널리 사용되는 손난로는 이용 편리성과 재사용성을 갖춘 과포화 발열방식과 산화방식이다.

지금 이용하는 손난로 원리를 알고 이용하면 좋다, 아이들이 궁금해 할 때 원리를 설명해 주는 기쁨도 있을 것이다.

올 추운 겨울을 손난로로 따뜻하게 보내자.