어린이과학동아 편집부에 한파가 들이닥쳤어요. 편집부는 매서운 추위에 어떻게 대처할까요? 손난로부터 금속으로 된 천까지 열을 내는 다양한 물건에 대해서 알아봐요.

# 통합과학 개념 이해하기

흔들흔들! 흔들어 열을 내는 손난로

추운 겨울철, 사람들은 열을 내는 다양한 물건들로 추위를 이겨내요. 집 안에서는 히터나 보일러, 전기장판 등 몸을 따뜻하게 하는 방법이 많지만, 집 밖에서는 주로 철가루형 손난로를 이용해요. 옷과 옷 사이에 붙이거나 흔들어서 사용하는 철가루형 손난로는 손쉽게 열을 내고, 열이 오래 가지요.

철가루형 손난로에는 철가루와 활성탄, 소금, 톱밥, 질석이 들어 있어요. 철가루와 물은 열을 발생시키고, 숯으로 만들어진 활성탄과 소금은 열을 빠르게 발생시키도록 도와줘요. 가구나 건축물을 만들 때 단열재로 쓰이는 톱밥과 질석은 손난로에서 발생한 열이 빠져나가는 것을 막아요.

철가루형 손난로는 ‘산화 반응’을 이용해 열을 내요. 산화 반응은 물질이 산소와 결합하면서 생기는 반응입니다. 손난로를 흔들면 부직포로 된 면의 구멍들 사이로 공기가 들어오고, 공기 속의 산소와 철가루가 만나요. 철 원자와 산소 원자가 결합하는 과정에서 녹슨 철인 산화철과 열이 만들어져요. 철 원자와 산소 원자의 에너지의 합이 산화철의 에너지보다 많기 때문에 열이 방출되는 것이지요.

이렇게 생긴 열로 손난로의 온도는 최대 70℃까지 높아집니다. 한 번 산화 반응이 일어나면 최대 12시간까지 열을 낼 수 있어요. 한쪽에서 다른 쪽으로 열을 전달하는 정도가 낮은 톱밥과 질석으로 열이 오래 보존되기 때문이에요. 온기가 남아 있는 손난로를 공기가 통하지 않는 봉투에 밀봉해 보관하면 모든 철가루가 산화 반응이 일어나지 않아서 또다시 사용할 수 있어요. 완전히 산화돼서 차가워진 손난로는 다시 쓸 수 없답니다.

▲GIB

손난로의 발열 과정

# 통합과학 넓히기

뜨끈뜨끈! 전기차를 데우는 천

전기자동차에서 차 안 온도를 높이기 위해서는 히터를 틀어야 해요. 히터를 끄면 바로 열이 사라져서 겨울철에는 히터를 계속 틀어야 하지요. 다만 히터를 계속 틀면 전기를 많이 써서 차가 달릴 수 있는 거리인 주행거리가 줄어들어요. 그래서 최근 전기차를 생산하는 기업인 현대자동차에서는 온돌형 난방 시스템에 주목하고 있어요. 온돌형 난방 시스템은 전자가 이동하면서 생기는 힘인 전기와 금속을 끌어당기는 힘인 자기의 흐름이 물결처럼 퍼져 나가는 전자기파의 형태로 차 안에 열을 전달하고, 열을 순환시키는 시스템입니다.

1월 14일, 한국전기연구원 전기변환소재연구센터 이동윤 연구원팀은 온돌형 난방 시스템으로 쓸 수 있는 열을 내는 물체를 만들어 공개했어요. 바로 금속으로 만든 천입니다. 이 천은 머리카락 굵기의 반도 안 될 정도로 가는 50μm(마이크로미터)^●의 굵기로 된 스테인리스강을 실로 만들어 짜낸 거예요. 스테인리스강은 금속이라서 전기가 흘렀을 때 고르게 열을 발생시킬 수 있고, 뻣뻣하지 않아서 실로 만들기에 적합했습니다.

연구팀은 천의 양 끝에 얇은 전극을 붙여 전기가 흐를 수 있도록 했습니다. 전기가 흐르면 금속을 이루는 원자와 전자가 충돌하는 저항이 발생해요. 이 저항으로 전기 에너지가 열에너지로 바뀌어 500℃까지 열을 올릴 수 있습니다. 금속으로 짜져 모든 천에 열이 고르게 퍼지고, 히터보다 열이 오래 보존돼 효율적으로 전력을 쓸 수 있어요.

▲한국전기연구원

금속으로 만든 발열 천과 선으로 만든 발열체를 비교하고 있다.

연구팀은 이 천을 전기차의 바닥에 놓아 온돌처럼 바닥부터 천장까지 열을 전달하도록 만들 예정이에요. 또 천은 쉽게 접고 펼 수 있어서 열이 필요한 다양한 분야에서 활용될 것이에요. 연구팀은 “앞으로 전기차뿐만 아니라 열을 내는 옷, 반도체와 화학 공장에서 배관을 보온할 때 등 쓰일 것”이라고 설명했어요.