핫팩에서 열이 발생하는 원리

핫팩이 뜨거워지는 원리 즉 핫팩에서 열이 발생하는 원리를 알아보자. 겨울철에 누구나 핫팩을 사용한다. 특히 스포츠 활동이나 직업적으로 야외 활동이 많은 사람들에게 핫팩은 거의 필수품이나 다름없다. 핫팩을 사용하려면 겉 비닐 포장을 벗겨내고 안에 있는 부직포로 덮여있는 팩을 흔들어서 열을 내곤 한다. 그동안 어떤 원리로 핫팩이 뜨거워지는지 몰랐다면 이번 글을 보면서 새로운 거 하나 배워보는 시간을 갖도록 하자.

 

시중에 유통되는 핫팩

 

위 사진에서 보는 핫팩의 지속시간은 16시간이고 최고 온도는 70℃로 표기되어 있다. 핫팩의 겉 비닐 봉지를 개봉해서 내용물인 부직포를 흔들면 핫팩이 따뜻해지기 시작하고 그 때부터 16시간 동안 산소와 반응해서 열을 유지하는 것이다. 그리고 최고 온도는 70℃까지 올라갈 수 있다는 의미이다.

핫팩에서 열이 발생하는 원리

핫팩에서 열이 발생하는 원리는 바로 철(Fe)이 공기를 만나 산화되어 나타나는 발열반응이다. 핫팩의 주성분은 철가루, 활성탄, 소금, 수분 등으로 만들어진다. 핫팩의 비닐 포장을 뜯고 안에 있는 온열팩을 흔들면 안에 있는 팩 내부에 들어있는 고운 철가루가 공기 중에 산소와 만나 산화반응을 일으키고 발열반응을 통해 약 60℃ 근처까지 온도가 올라가게 된다.

철은 공기 중에 오래두면 녹이 슬거나 부식되는 공기 중의 산소와 반응하여 삼산화철로 변하게 된다. 4Fe+3O2 → 2Fe2O3 + Qcal라는 화학반응식으로 표현할 수 있다. 철가루의 산화반응에서 철과 산소가 반응물질이며 삼산화철은 반응에 의해 새로 만들어지는 생성물질이다. 철은 산소와 접촉했을 때 1g당 1.69Kcal의 열을 발생시킨다.

반응물질에 해당하는 철가루와 공기 중의 산소가 가지고 있는 에너지의 합이 새로 생성되는 생성물질인 산화철이 가지고 있는 에너지보다 크다. 그러므로 그 차이만큼의 에너지가 남아 방출되는 것이다. 이때 방출되는 에너지는 열에너지의 형태를 띠기 때문에 발열반응이라 칭하고, 주변의 온도가 올라가는 것이다.

 

핫팩이 빨리 뜨거워지는 이유

우리 주변의 철근이나 못과 같은 철제품도 녹이 스는 것이므로 산화반응이다. 산화반응 이므로 발열반응으로 이어지고 뜨거워짐을 느껴야 하는데 실제로 이를 느끼기에는 쉽지 않다. 그러나 이러한 산화반응은 녹이 슬어가는 과정이 장시간에 걸쳐 진행되기 때문에 이를 발열반응이라고 알아채기는 어렵다.

하지만, 우리가 겨울철에 사용하는 핫팩은 철근이나 못과 달리 매우 곱고 미세한 철가루를 사용한다. 그렇게 미세한 철가루를 사용하는 이유는 철가루의 표면적이 상대적으로 넓어서 공기와 쉽게 접촉해 공기와의 산화반응이 빨라지게 하는 원리를 이용하기 위해서이다. 또한, 핫팩 내에 같이 포장되어 들어있는 소금과 활성탄도 역시 산화반응이 빠르게 일어나도록 도와주는 역할을 한다.

핫팩은 산소가 잘 통해야 하기 때문에 부직포로 만든다. 몇 번 흔들었다고 찢어지면 안되고 공기는 잘 통해야 하는 두 가지의 목적을 모두 달성할 수 있어야 한다. 손에 집적 접촉하므로 느낌도 좋아야 한다. 그래서 부직포로 만든다. 공기가 잘 통하게 만들어야만 산소의 접촉이 광범위하게 이루어지고 산화반응이 전체적으로 일어나며 발열이 시작될 수 있는 것이다.

 

 

핫팩의 비닐을 벗겨야만 뜨거워지는 이유

핫팩의 원리는 고운 철가루가 산소를 만나 산화되면서 열이 발생하는 것이라고 하였다. 그리고 더 빨리 열을 발생시키기 위해 공기가 잘 투과되도록 흔들어주는 것이라고 했다. 그런데 포장되어 있는 핫팩은 제품의 이송 중에 또는 개인적으로 휴대하면서 가지고 다녀도 왜 뜨거워지지 않는 것일까?

그 이유는 핫팩을 실제로 사용하기 전에는 공기가 잘 투과되지 않도록 겉에 비닐로 포장 처리를 하여 공기가 들어가지 않도록 하기 때문이다. 제품을 운반하거나 장기간 보관할 때에도 공기와의 접촉이 이루어지지 않아 산화반응이 일어나지 않도록 하는 것이다. 사용하고자 할 때 비닐 포장을 벗겨내고 핫팩의 포장인 부직포로 이루어진 내용물을 꺼낼 때 비로소 공기 중의 산소와 접촉되기 시작하는 것이다. 이것이 발열반응의 시작이라 볼 수 있다.

 

이미 산화된 상태인 철분의 모습

핫팩 재사용이 가능한가?

결론적으로 핫팩 재사용은 불가능하다. 핫팩 내부에 있는 철가루는 모두 산화반응을 통 삼산화철로 변해버렸다. 핫팩 내부의 철가루의 양이 많을수록 열의 지속시간이 길어지는 것은 사실이다. 하지만 철가루에서 일단의 산화반응이 다 끝나버린 후에는 의미가 없다. 철가루가 산소를 만났을 때 산화반응을 통해 발열하는 것이지 이미 변해버린 삼산화철은 반응을 하지 않는다. 그러므로 한 번 사용한 핫팩은 재사용이 불가능하다. 핫팩은 일회용이라고 생각하자.

 

끝까지 읽어 주셔서 감사 드립니다.

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