주머니 난로의 원리

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주머니 난로

 

1). 쌀쌀한 겨울. 주머니 난로는 정겹다. 매캐한 냄새도 없고 크지도 않으면서 시린 손을 따뜻하게 해줘 요즘 청소년들에게 선풍적인 인기를 끌고 있다. 시중에 유통되고 있는 것은 분말형과 액체형 등 두 가지. 이들은 외부에서 불씨나 연료를 공급받지 않으면서도 열을 낸다 그 원리를 설명해 보아라.

 

 

▶답 : 분말형은 순도가 높은 쇳가루와 소금. 활성탄을 섞어 만든다. 쇳가루가 산소와 결합해 벌겋게 녹슬 때 열이 나는 원리를 이용한다. 평상시 철이 녹 쓸 때 열을 느끼지 못하는 것은 녹스는 과정이 오랜 시간에 걸쳐 일어나기 때문. 그러나 손난로의 경우 열을 한꺼번에 많이 내도록 쇳가루의 녹스는 속도를 아주 빠르게 했다. 녹스는 속도를 촉진하는 역할은 소금과 활성탄이 맡고 있다. 최고 68℃까지 뜨거워진다. 분말형은 비닐봉지를 벗긴 뒤에야 공기 속의 산소가 들어가 따뜻해지기 시작한다. 한번 산화된 철은 다시 쓸 수 없다.

 

액체형은 초산나트륨을 사용하는 데 평소에는 맑은 액체 상태로 작은 금속 단추와 함께 비닐봉지에 담겨있다. 봉지를 만져 코에 대보면 식초 냄새가 난다. 그런데 이 초산나트륨 봉지 속의 금속단추를 '똑딱' 거리면 액체가 순식간에 굳어지면서 열을 낸다. 이는 초산나트륨이 자극을 받으면 분자 속에 품고 있는 열(화학에서는 잠열이라 부른다)을 내뿜고 결정을 이루는 성질 때문이다. 열을 다 방출하고 나면 하얀 소금처럼 굳어진다. 최고 65℃까지 올라간다. 이를 다시 뜨거운 물속에 넣고 끓이면 맑은 액체로 돌아간다. 초산나트륨의 분자는 65℃보다 뜨거운 물로부터 열을 얻지만 열이 분자 속에 숨어 들어가 액체상태에서는 외부에서 열을 느끼지 못한다.

 

2). 감자를 익혀 먹으려고 한다. 다음 준비물을 이용하여 가장 빠르게 감자를 익혀 먹을 수 있는 방법을 말해보라. ( ☞ 준비물 : 부탄가스, 가스 버너, 감자, 감자솥, 쇠젓가락, 물 )

 

▶답 : 감자는 좋은 열전도체가 아니므로 감자 속까지 잘 익히기 위해서는 요리시간이 많이 걸리게 된다. 그러나 열전도성이 큰 금속 못을 감자에 박아 두면 감자 속까지 열에너지가 보다 빨리 전달될 수 있어 그만큼 요리 시간이 줄어들게 되는 것이다. 고체는 열을 전도한다. 일반적으로 가장 좋은 열전도체는 금속이다. 금속 중에서 가장 좋은 전기 전도체(Ag, Cu, Al, Au)는 또한 가장 좋은 열전도체이다. 금속의 전기 전도도의 근원은 원자가전자의 행동에 있으므로 행동하는 모양이 닮은 점으로 보아서 금속의 열전도도의 대부분도 원자가전자의 행동의 결과라고 본다. 그러나 모든 열전도 현상이 전자에 의존하는 것은 아니다. 열에너지는 우선 격자점 주위에서 진동하는 원자의 진동 운동에 소비되므로, 에너지는 원자가 서로 충돌할 때 한 곳에서 다른 곳으로 옮길 수 있다. 음파에 의하여 일어나는 격자 진동을 포논(Phonon)이라고 한다. 포논은 음속으로 결정 속을 운동하므로 열전도도 음속으로 일어난다고 생각하게 될 것이다. 그러나, 원자 사이의 힘이 직선적이 아니기 때문에 포논은 서로 산란하고, 보통 온도에서의 포논의 평균 자유 경로는 순수한 물질 속에 있는 전자의 평균 자유 경로보다 훨씬 작다. 그러므로, 고체 내에 상당한 수의 전자가 들어 있는 전도 띠가 있을 때, 전자에 의한 열전도는 포논에 의한 열전도보다 보통 훨씬 크다

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