핫팩이 뜨거움을 유지하는 원리는?
핫팩이 여러시간동안 따뜻함을 유지하는 원리는 무엇일까요?
일정시간이 지나면 뜨거움이 사라지는데 안의 내용물은변동이 없는데 왜그럴까요?
안녕하세요. 방민기 과학전문가입니다.
핫팩은 크게 2가지 정도로 나누어지는데요.
먼저 설명드릴 부분은 똑딱이 손난로입니다.
똑딱이 손난로는 한번 사용하신 다음 다시 끓는 물에 3분 정도 넣어두신다면 재사용이 가능한데요.
현재에는 똑딱이 핫팩이 많이 남아있지 않지만 이전에는 많은 분들이 이 난로만 사용을 했었던 기억이 있어요.
이것은 핫팩의 안쪽을 액체가 채우고 있고, 그 안에는 금속으로 된 판이 하나 들어있죠.
그것을 눌러 똑딱거리는 소리가 난다면 갑자기 액체가 하얀색으로 변하며 액첵가 아닌 다른 물질로 변하죠.
이는 바로 아세트산나트륨이라는 물질인데요.
정확히 말하면 아세트산나트륨 '과포화용액'이라고 해요.
이는 이 용액에 과도하게 많은 물질이 들어갔다는 뜻이고 이로 인해서 용액의 상태가 불안정해 작은 자극에도 반응해 고체화가 이루어지는 것이죠.
그리고 이 자극을 주는 것을 바로 안에 들어있는 금속판이 되는 것이랍니다.
이때 물을 얼리면 액체가 고체가 되면서 가지고 있던 열을 밖으로 방출하게 되는데요.
이 용액도 마찬가지로 고체가 되면서 가지고 있던 열을 밖으로 방출하면서 발열효과를 내는 것이랍니다.
그럼 다음으로는 우리들이 흔히 사용하는 핫팩인데요.
바로 부직포로 된 주머니 형태로 이루어져 있고, 안에는 철가루와, 물, 소금, 활성탄이 들어있습니다.
이 난로의 간단한 원리는 철을 녹슬게 만들어서 발열할 수 있도록 만드는 것인데요.
여기서 한 가지 궁금한 점이 생기실텐데, 철이 녹스는 것과 열이 발생하는 것은 무슨 차이가 있을까요?
바로 녹이 스는 것은 철이 산화하는 것인데요.
화학적인 면에서 철과 산소가 결합해 산화철이 되는 과정을 말하며, 산화하는 과정에서 열과 빛이 발생한다고 해요.
하지만 일반적으로 일어나는 산화과정은 굉장히 느리게 진행이 되기 때문에 우리들이 느끼지 못한다고 하는데요.
그래서 핫팩의 안에는 활성탄과 물, 소금이 들어있고, 이것들이 산화반응이 잘 일어날 수 있도록 촉진시켜주는 촉매 역할을 한다고 합니다.
게다가 난로 안에는 철성분들이 가루형태로 되어있어 표면적이 넓어지기 때문에 산소와 철이 잘 결합할 수 있도록 하는 최적의 환경을 만들어주죠.
이로 인해서 난로가 따뜻해 지는 것이랍니다.
이처럼 난로를 사용할 때에는 사실 주의해 주셔야 할 사항이 있어요.
약간의 열이 방출되는 것 같지만 몸에 오랫동안 붙이고 있다면 저온 화상이 생기기도 한다고 해요.
그렇기 때문에 맨살에 핫팩을 오래 두고 있으면 안되고, 옷 위로 주머니에 넣거나 옷 사이로 핫팩을 놔주셔야 한답니다.
안녕하세요. 과학전문가입니다.
핫팩은 철성분이 들어가있어서 공기와 만나면 산화하게 됩니다. 이러한 도중에 열이 발생하게 됩니다. 내용물이 변동이 없어보이지만 성분은 바껴있을겁니다.
핫팩 안에 있는 철가루로 따뜻해질 수 있습니다.
철은 공기와 접촉하게 되면 산화하기 시작하는데, 이것이 발열 반응입니다.
이 반응에서 발생하는 열이 1g당 약 1.7kcal 의 열을 발생시킨다고 합니다.
이때 이 반응을 높이도록 촉매가 들어있는데, 촉매인 탄화수소나 염분이 철가루와 산소의 반응성을 높여줍니다.
즉, 촉매가 소모되면 더 이상 뜨거워지지 않습니다.
핫팩은 철과, 활성탄소, 수분등으로 구성 되어 있습니다.
핫팩의 내피는 공기가 들어갈수 있는 미세 부직포로 되어 있고 외부는 산소를 차단할수 있도록 비닐로 포장되어 있습니다.
비닐포장을 뜯어 내피를통해 내용물에 산소가 들어갈수 있게 비비거나 주물러 주면 뜨거워 지기 시작합니다.
구성물질중 철과 산소가 만나 산화철이 되는 화학반응이 발생되고 이화학반응은 열을 동반합니다.
작은 철가루 하나하나에서 작은 열이 발생되고 이열이 모여져 큰열을 발생하게 됩니다.
내부의 철이 모두 산화철이 되면 핫팩은 수명이 다하여 더이상 뜨거워 지지 않습니다.
또한 핫팩이 뜨거울때 비닐등으로 다시 포장하여 산소를 차단하면 철이 산화되는 것을 지연시킬수 있어 핫팩은 오래 사용할수 있습니다.
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
일회용 핫팩의 원리는 철이 산화되면서 열을 발산하는 발열반응을 이용한 것입니다. 이에 대한 화학 반응식으로는 4Fe+3O2->2Fe2O3+발열 입니다.
반면, 똑딱이 손난로는 아세트산나트륨을 이용합니다. 아세트산나트륨에 물을 넣고 가열하면 아세트산나트륨이 녹는 과정에서 열을 흡수하는데, 이것을 똑딱이 손난로 안에 넣어두는 것입니다. 이때 과포화된 아세트산나트륨 용액에는 조금의 충격만 가해주면 고체상태로 변하면서 잠열을 방출하는 것입니다. 또한 자성의 원리로 고온 상태 유지 가능합니다.
