시중에서 판매되는 손난로 만들기 세트를 이용해서 열변색 손난로를 만들었다.

상태변화는 열에너지의 출입에 의해 나타난다. 예를 들면 고체물질을 가열해 주면 열을 흡수하면서 액체로 융해 되고, 액체 물질을 냉각시키면 물질이 가지고 있던 열을 방출하면서 응고가 되어 다시 고체가 된다.

그렇다면 가열이나 냉각 없이 강제로 상태변화를 일으키면 어떻게 될까?

  그 원리를 이용한 것이 손난로 이다. 아세트산 나트륨을 물에 과포화 상태로 녹여 가열하면 고체상태였던 아세트산나트륨은 열에너지를 흡수해서 액체상태가 된다. 식으면 열을 방출하면서 고체가 되야 하는데 아세트산나트륨은 서서히 식히면 녹는점보다 낮은 상태에서도 불안정한 액체상태를 유지한다. (보통 아세트산나트륨은 3수화물 형태로 존재하며 무색에 기둥모양의 결정으로 수화물일때 녹는점은 59도 정도라고 한다.)

이는 불안정한 과냉각상태이기 때문에 약간의 충격을 가하면 바로 고체상태로 응고가 일어난다.
즉 액체상태의 물질이 외부에서 냉각시키지 않았는데도 고체상태로 상태변화가 일어나는 것이다. 그럼 어떻게 될까? 상태변화에서 응고가 일어나려면 물질은 자신이 가지고 있던 열을 방출해야 한다. 따라서 상태변화를 하는 손난로는 어쩔수 없이 응고열을 주변으로 방출하면서 고체로 변하게 되고 그래서 주변이 따뜻해 지게 되는 것이다.

손난로 안에 시온잉크(열에 따라 온도가 변하는 잉크)를 넣었더니 응고가 될때 시온잉크 색이 변하는 것도 확인할 수 있다.

추가실험

1. 액체상태의 손난로를 냉동실에 넣어 두었더니, 충격을 가하지 않았는데도 냉각되어 상태변화가 일어난다. 당연하겠지. 냉각시키면 상태변화가 일어나야 하니까... 

2. 손난로 안에 있는 액체를 그릇에 부었더니 그릇에 충돌하는 순간 충격을 받아 바로 고체 상태로 변화가 일어난다.  시중에 뜨거운 얼음을 만든다고 알려져 있다. 그런데 촬영하려고 손난로를 여는 순간 충격을 받아 따르기도 전에 이미 고체로 응고가 되어 버린다. 동영상에는 2번만 나왔지만 사실 6번 시도 끝에 겨우 1번 성공했다.

개선한점

1. 일반적으로 중탕해서 손난로를 녹이라고 되어 있는데, 불을 사용하는게 싫어서, 커피포트에 물을 끓여 수조에 넣고 손난로를 녹여 보았는데 손난로 1, 2개를  넣으면 잘 녹는다. 다만 결정이 조금이라도 남아 있으면 안되므로 나무젓가락으로 봉지를 눌러 안에 있는 결정을 전부 녹여 주어야 한다. 만약 잘 안녹으면 커피포트에 물을 1번 더 끓여 물을 교체해 주면 된다.

열때문에 상태가 변한다는 수동적인 상태변화를 강제로 상태변화 시키면 열의 출입이 가능하다는 능동적인 상태변화로 바꿔 보았다. 사실 에어콘이나 냉장고도 강제로 상태변화를 시켜서 열의 출입을 하게 하는 장치이다. ^^

 

추가로 열화상 카메라로 손난로의 열변화를 촬영해 보았다.

 

수업시간 설명

1. 상태변화는 화학변화와 달리 물질의 성질이 변하지 않는다. 따라서 고체로 변한 손난로를 다시 가열하면 액체 상태로 변화시킬 수 있고, 반복해서 재사용이 가능하다.

2. 휴대용 가스렌지를 사용하다 보면 넣어 놓은 부탄(뷰테인)가스통이 점점 차가워 진다. 이유는 마찬가지로 액체로 되어 있던 가스가 기화하면서 저절로(?) 상태변화가 일어나면서 주변에 열을 흡수하기 때문이다.

3. 조선시대 임금님도 여름에 얼음을 만들 수 있는 냉장고나 시원한 에어콘이 없었다. 상태변화를 마음대로 시킬 수 없었기 때문에 온도를 낮게 내릴 수 있는 방법을 몰랐기 때문이다. 그냥 앞마당에 물을 뿌려 식히는 정도(엄밀히 말하면 이것도 상태변화)만 이용했다.

Posted by 민서아빠(과학사랑)