[KISTI의 과학향기]따끈따끈~손난로의 비밀!

찬바람이 쌩쌩 부는 어느 날, 나향기 양은 남자친구 K 군과 함께 모처럼 데이트에 나섰다. 남자친구가 이끈 곳은 광화문광장 스케이트장.

"와~! 향기야, 저기 알록달록한 전구 좀 봐. 스케이트를 타러 나온 사람들도 엄청 많네!"

"좋긴 한데 너무 추워~. 어디 따뜻한 데 들어갔으면 좋겠는데. 이를테면 수다벅스 다방 같은 곳…, 호호~"

"향기, 너~! 추운 게 아니라 커피 마시면서 쉬고 싶어서 그런 거지? 네가 몸 움직이는 걸 싫어하는 건 알지만…, 스케이트는 진짜 재밌다니까~ 게다가 스케이트를 타다 보면 금방 따뜻해질 거야"

"아냐, 진짜 추워서 그런 거라고!"

"이럴 때 따뜻한 무언가가 있으면 좋을 텐데…. 그래, 그거야! 여기서 잠깐만 기다리고 있어. 내가 금방 따뜻하게 해 줄게~"

편의점으로 달려가는 K 군. 잠시 후 양쪽 주머니에 손을 깊이 찔러 넣고 돌아온 그가 나향기 양 앞에서 손을 꺼내 보인다. 그의 양 손에는 맑은 액체가 담겨 있는 주머니 난로가 놓여있다.

"널 위해 준비했어~"

이 말을 외치곤 액체 속에 있는 동전 같은 것을 재빨리 똑딱거린다. 그러자 주머니 속 액체가 하얗게 굳어지면서 열이 나기 시작한다.

"향기야, 이거 주머니에 넣어두고 있으면 따뜻할 거야"

"와~ 따뜻하다. 이 주머니 난로 정말 신기해! 어떻게 이렇게 따뜻해질 수 있는 걸까? 근데 이거 계속 쓸 수는 있는 거야? 아님 한 번만 쓰고 버리는 거?"

주머니 난로가 신기했던 향기 양은 질문을 속사포처럼 쏟아낸다.

"우리 향기, 주머니 난로에 대해 관심이 많구나~. 그럼 내가 주머니 난로의 원리를 알려줄까?"

"응~, 완전 궁금해! 그런데 커피 마시면서 들으면 안 될까?"

"으이구, 정말 향기 너에겐 못 당하겠다니까~"

추운 겨울이 되면 밖에서 일하는 사람들과 어린 아이들, 몸은 물론 마음까지 시린 솔로 족들을 위한 필수 아이템, 주머니 난로. 올 겨울도 어김없이 찾아온 주머니 난로의 원리는 무엇일까? 주머니 난로는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 고운 쇳가루를 이용한 고체형 난로, 아세트산나트륨(Sodium Acetate)을 이용한 액체형 난로가 그것이다.

고체형 난로에는 쇳가루와 탄소가루, 염화나트륨, 활성탄가루, 약간의 수분 등이 들어 있다. 이것을 잡고 흔들면 주머니 속의 고운 쇳가루가 공기 중의 산소와 반응하면서 열을 만들어 내는 산화 작용을 하게 된다.

이때 염화나트륨과 수분은 철의 산화 작용을 더욱 빨리 촉진 시키는 역할을 한다. 활성탄가루는 많은 구멍을 갖고 있어 수분을 머금게 하고 열이 빨리 달아나지 않게 잡아주는 역할을 한다.

고체형 손난로는 보통 한 번에 10시간 이상 따뜻하게 이용할 수 있다는 장점이 있지만 대부분 일회용이라는 것이 단점. 철이 녹슬며 산화하는 반응은 되돌리기 어렵기 때문이다.

이에 반해 아세트산나트륨(CH₃COONa)을 이용하는 액체형 난로는 여러 번 사용할 수 있다.

이는 아세트산나트륨이 가진 특성 때문에 가능하다. 아세트산나트륨은 초산 냄새가 나는 무색 결정 고체다.

물에 이 고체를 넣고 가열하면 고체가 녹으면서 가열된 열을 흡수하게 된다. 이때 아세트산나트륨 용액은 물과 같이 투명한 액체 상태를 유지해 용기나 비닐봉지 같은 곳에 담아 둘 수 있다.

액체형 난로에는 아세트산나트륨이 물에 더 이상 녹을 수 없는 상태보다 더 많은 고체가 녹아 있다(과포화상태). 과포화상태의 용액은 상당히 불안정한 상태이기 때문에 외부의 작은 충격에도 반응이 일어난다.

외부에서 이 용액에 작은 충격을 가하면 투명한 액체가 하얗게 변하면서 순간적으로 얼음이 얼듯 딱딱한 고체로 변하게 된다.

액체에서 고체로 상태변화가 일어나면 자유롭던 입자들이 움직임을 멈추면서 남는 에너지가 열로 방출된다.

이 발열반응 덕분에 완전히 고체화가 진행될 때까지 따뜻하게 들고 다닐 수 있다. 하지만 아쉽게도 이 난로는 한 시간 정도면 완전이 식어버린다.

난로를 다시 이용하기 위해서는 물에 담그고 끓이면 된다. 그러면 다시 투명한 액체로 변한다. 이때 액체 주머니 속에 들어 있는 작은 쇳조각을 몇 번 똑딱여주면 다시 고체로 변하면서 열이 방출된다.

작은 쇳조각은 아세트산나트륨 용액에 충격을 주기 위한 장치다.

기온이 떨어질수록 몸은 자꾸 움츠러들고 따뜻한 실내나 난방기구 옆에만 머무르고 싶어진다. 불가피하게 야외에서 오래 머물러야 할 경우, 주머니 손난로를 준비해 보는 건 어떨까. 작지만 한결 따뜻해지는 것을 느낄 수 있을 것이다.

/글 과학향기 편집부(※ 과학향기 제855호 '뜨끈뜨끈 주머니 손난로 그 원리는 무엇일까?(2008년 12월 26일자)'에서 일부 발췌했음을 밝힙니다.)