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가오갤2-그루트 춤추는 장면

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열의 출입을 나타낸 예시로는 핫팩이 있다.

핫팩이 열을 내는 이유는 철가루의 산화반응이다.
2Fe3+6OH- → Fe2O3+3H2O
기본적인 철의 산화환원 반응식이다.

*생성엔탈피 통해 이 반응에서의 열출입을 확인할 수 있다.

Fe2O3의 생성엔탈피 ΔfH 는 -824.2KJ/mol 이고,
H20의 생성엔탈피 ΔfH 는 -242.5KJ/mol 이다.

2Fe3+6OH- → Fe2O3+3H2O
반응엔탈피 = 생성물의 생성엔탈피의 총합 - 반응물의 생성엔탈피의 총합 이다.
위 식에 따라서
반응엔탈피 = {(-824.2) + (-242.5)} + {0+0} = -1046.7 KJ/mol
따라서 위 반응에서 방출되는 에너지는 1046.7 KJ/mol이다.

핫팩 하나의 질량이 80g이고 철의 원자량이 56g, 부직포가 24g이라고 치면 핫팩 하나에 철 1몰이 포함되어있는 것이다.
그러면 핫팩 하나에서의 반응식은

Fe3+3OH- → 1/2Fe2O3+3/2H2O가 되고
생성물의 몰수가 1/2몰이므로
전체 방출 에너지는 1/2mol * 1046.7KJ/mol = 523.4KJ 이다.

가루 형 핫팩 속에는 철 가루, 소량의 물, 소금, 활성탄, 질석, 톱밥이 구성되어 있다. 철은 열을 발생시키기 위한 성분이며, 소금과 활성탄은 열을 내는 화학적 반응을 도와준다. 또한, 질석과 톱밥은 충전재와 단열재 역할을 소량의 물은 산소와 함께 화학적 반응을 위한 필수적인 성분으로 이용된다.

*생성엔탈피
지정된 조건에서 가장 안정한 홑원소 물질로부터 화합물 1몰이 생성되는 반응의 엔탈피 변화

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흡열 반응의 예로는 ‘소금+물’, ‘물+전기분해’, ‘탄산수소나트륨 열분해’, ‘광합성”, “수산화 바륨+염화암모늄’, ‘질산암모늄+물’ 등인데 여기서 탄산수소나트륨은 빵을 만들 때 쓰는 “베이킹파우더”의 주성분이기 때문에 흡열 반응을 관찰할 수 있고, 이 외에도 질산암모늄과 물이 반응하면서 열을 흠수하는 “냉찜질팩” 등이 실생활 예시이다.

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열의 출입을 이용한 제품은 최근 개발된 섬유 소재중 하나인 광발열 섬유가 있다. 이 섬유는 신체나 태양에서 방출되는적외선을 흡수해 열을 낸다. 원적외선을 열에너지로 바꿔 보온성을 유지하는 것이다.

섬유 안의 분자가 신체나 태양의 원적외선을 받게 될 경우 분자끼리 충돌하면서 진동을 일으키는데 그 과정에서 열이 발생하는 것이다. 몸의 원적외선 보다는 주로 태양에서 에너지를 받아들이는 방식이기 때문에 바깥에 입는 재킷에 많이 사용한다.

하지만 연구에 따르면, 발열 섬유가 실제로 열을 발생시켜 온도를 올리는 것은 사실이지만 핫팩수준으로 따뜻해지진 않는다고 한다. 광발열 섬유는 햇볕을 받은 뒤 1~2초 만에 온도가 10도 이상 오르고, 10~20분 정도 지나면 몸에서도 1~2도 정도의 체온상승을 느끼게 한다. 하지만 이 수치는 정확하지 않으며 아직까지 발열섬유의 온도상승과 체온상승 관계를 정확히 밝혀내기는 어렵다고 한다.

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열의 출입을 이용한 제품에는 핫팩이 있다. 가루형 핫팩 내부에는 적당량의 아주 고운 철가루가 많이 들어있어 아주 빠른 속도로 철가루가 산화될 수가 있고, 또 그 과정에서불과 몇 분 안에 30도 ~ 70도까지 올라가기도 한다.겉 봉지를 뜯은 다음에 잘 흔들면 내용물이 잘 섞이고 공기와 접촉하는 면적이 커지면서 산화 반응도 빠르게 일어난다. 그러면서 온도가 올라가게 되어 따뜻해진다. 내용물 중에는 질석 톱밥이 충전제이고단열재 역할을 하게 된다.

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열의 출입을 이용한 제품중 하나인 발열도시락은 주로 수산화 칼슘(CaO)을 발열제로 사용한다. 수산화 칼슘은 물과 만나면 발열하여 수산화 칼슘을 생성하는 발열반응을 한다.
CaO + H₂O → Ca(OH)₂
따라서 찬물 만으로도 밥을 따뜻하게 데워 먹을 수 있다.

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열의 출입을 이용한 제품의 예로 핫팩이 있다. 이 핫팩은 크게 겔형과 가루형으로 구분된다.
겔형 핫팩 : 아세트산 나트륨의 액체 상태는 불안정해 약간의 자극만 줘도 흰색의 물질이 방출되는 석출기가 되는 방식으로 핫팩 안에 있는 금속판을 꺾어 충격을 주는 원리를 통해 흰색 물질을 방출시키고, 그 안에 저장하고 있던 열을 한 번에 방출하는 원리이다.
가루형 핫팩 : 핫팩을 이루는 성분을 보면 철분, 수분, 규조토, 활성란, 염류 등으로 이루여 져 있다. 핫팩을 흔드는 과정에서 산소와 철분이 만나 산화작용을 하게되면서 빠르게 철이 녹슬면서 불과 몇 분만에 30도~60도의 열을 발생시킨다. (화학반응식 : 4Fe+3O2 ⇒ 2Fe2O3+발열) 여기서 규조토나 활성란, 염류 등이 열을 산화시키는 촉매 역할을 하여 더욱 빠르게 열을 발생시킨다.

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핫팩의 원리는 철(Fe)의 산화 발열반응이다. 핫팩의 주성분은 철 가루, 활성탄, 소금, 수분 등으로 만들어진다. 핫팩의 겉 포장을 뜯고 주무르거나 흔들면 안에 있는 철 가루가 산소와 만나 빨리 산화반응을 일으키고 몇 분내 온도가 30℃에서 60℃까지 올라가게 된다. 이러한 반응을 화학 반응식으로 표현하면 [ 4Fe+3O2 ⇒ 2Fe2O3 +발열 ]으로 표현할 수 있다. 철 가루의 산화반응에서는, 철과 산소가 반응물질이며 산화철은 생성물질이다. 철과 산소가 가지고 있는 에너지의 합이 산화철이 가지고 있는 에너지보다 크기 때문에 그 차이만큼의 에너지가 방출되는 것이다. 이때 방출되는 에너지의 대부분이 열에너지의 형태를 띠기 때문에 주변의 온도가 올라가는 발열반응이 되는 것이다.

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열의 출입을 이용한 제품의 예로는 분말형 손날로가 있다.
분말형 손난로는 철의 산화를 이용한 제품이다. 철은 산소와 물을 만나면 수산화제이철(Fe(OH)₃)이 되는데 이 과정에서 열이 발생한다. 바로 이것이 분말형 손난로의 원리이다.
그렇다면 분말형 손난로가 열을 발생하는 과정은 어떻게 진행될까. 분말형 손난로 재료는 철가루, 톱밥, 활성탄, 식염수, 미세한 구멍이 많은 광물인 버미큘라이트이다. 또한 봉지도 부직포에 폴리에틸렌을 압축해 코팅한 것으로 표면에는 아주 미세한 구멍이 무수히 뚫려 있다.
손난로를 봉지에서 꺼내는 순간 활성탄이 작용을 시작한다. 이때 산소가 강제적으로 봉지 구멍에 밀려들어와 철의 산화를 하면서 열을 발생시킨다. 그런데 봉지 안에 철가루가 공기 중에 그대로 모두 노출되면 고온이 방출됨과 동시에 순식간에 산화가 된다.
그 결과 모든 철가루가 단번에 녹이 슬어버려 손난로는 쓸 수 없게 된다. 때문에 분말형 손난로에서는 산소를 조절하는 것이 중요한데 폴리에틸렌 표면의 미세한 구멍이 그 역할을 한다고 할 수 있다. 즉 산소 공급량을 제어하는 이 구멍들이 산화가 동시에 발생하는 것을 방지하고 철의 변화를 조절해 일정 시간·일정 온도에서 손난로가 지속적으로 발열할 수 있게 해주는 것이다.

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발열반응의 예로는 핫팩이 있다.

핫팩의 원리는 바로 철(Fe)의 산화 발열반응이다. 핫팩의 주성분은 철 가루, 활성탄, 소금, 수분 등으로 만들어진다. 핫팩의 겉 포장을 뜯고 흔들면 안에 있는 철 가루가 산소와 만나 산화반응을 일으키고 몇 분내 온도가 30℃에서 60℃까지 올라가게 된다.

이러한 반응을 화학 반응식으로 표현하면 [ 4Fe+3O2 ⇒ 2Fe2O3 +발열 ]으로 표현할 수 있다. 이 반응에서 철과 산소가 반응물이며 산화철은생성물이다. 철과 산소가 가지고 있는 에너지의 합이 산화철이 가지고 있는 에너지보다 크기 때문에 그 차이만큼의 에너지가 방출되는 것이다. 이때 방출되는 에너지의 대부분이 열에너지의 형태를 띠기 때문에 주변의 온도가 올라가는 발열반응이 되는 것이다.

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박진혁 실험준비
신재영 실험준비 실험진행
임윤서 실험준비
임도훈 실험준비 실험진행
장우민 실험준비 촬영
김규형 실험준비 실험진행

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박진혁 실험준비
신재영 실험준비
임도훈 실험준비 실험진행
임윤서 실험준비
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김규형 실험준비 실험진행

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박진혁 실험준비
신재영 실험준비
임도훈 실험준비
임윤서 실험준비
장우민 촬영
김규형 실험준비 및 진행

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20106 박초이
20108 이지인
20112 정가을
20602 부강희

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핫팩은 철가루, 탄소가루, 염화나트륨 수용액을 혼합했을 때 발생하는 열을 이용한 것이며, 발생되는 열은 철이 공기 중의 산소와 반응하며 생긴 것이다. 철의 산화 반응식은 4Fe+3O2 -> 2Fe2O3+발열 이며, 이 반응은 철이 녹스는 현상을 의미하기도 한다. 시판하는 핫팩은 바깥 봉지에 싸여 있어서 이를 뜯어내기 전에는 온기를 느끼지 못한다(밀봉되어 철가루와 산소가 반응하지 못함). 주머니는 이중으로 되어 있으며 안 주머니에는 철가루, 탄소가루, 염화나트륨이 들어 있고, 주머니를 흔들어 주거나 문질러 주면 이들이 공기 중의 산소와 반응하여 열을 방출한다. 또, 내용물 중에 규조토(또는 나무 가루)는 화학 반응에 관여하는 것이 아니고 적당한 부피(크기)를 유지하고, 흡수된 수분을 유지하기 위해 첨가된 것이다.

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자유탐구보고서(20107 이수민)

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강대환: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

김민우: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

손준혁: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

신은섭: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

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강대환: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

김민우: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

손준혁: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

신은섭: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

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강대환: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

김민우: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

손준혁: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

신은섭: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

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강대환: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영
김민우: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영
손준혁: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영
신은섭: 실험 준비, 실험 진행, 정리, 촬영

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최예원 - 실험 준비, 진행
양선화 - 촬영

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박선우:촬영 ,실험 진행
백효민:실험 진행
윤채원:실험 진행
이지은:실험 진행
한지수:실험 진행
이정연;실험진행

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박선우:사진 촬영
백효민:약품 준비,실험도구 준비
윤채원:실험진행
한지수:실험준비

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박선우,백효민: 실험,사진촬영

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박선우:실험,사진촬영

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김혜림 실험준비 실행 정리
박서현 실험준비 실행 정리
이수민 실험준비 실행 정리
이진희 실험준비 실행 정리 촬영

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김혜림 실험준비, 진행, 정리, 촬영
박서현 실험준비, 진행, 정리
이수민 실험준비, 진행, 정리
이진희 실험준비, 진행, 정리, 촬영

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핫팩은 열의 출입을 이용한 제품으로, 원리는 철(Fe)의 산화 발열반응이다. 핫팩의 주성분은 철 가루, 활성탄, 소금, 수분 등으로 만들어진다. 핫팩의 겉 포장을 뜯고 주무르거나 흔들면 안에 있는 철 가루가 산소와 만나 빨리 산화반응을 일으키고 몇 분내 온도가 30℃에서 60℃까지 올라가게 된다. 화학 반응식으로 표현하면 [ 4Fe+3O2 ⇒ 2Fe2O3 +발열 ]이며 철 가루의 산화반응에서는, 철과 산소가 반응물질이며 산화철은 생성물질이다. 철과 산소가 가지고 있는 에너지의 합이 산화철이 가지고 있는 에너지보다 크기 때문에 그 차이만큼의 에너지가 방출되는 것이다. 이때 방출되는 에너지의 대부분이 열에너지의 형태를 띠기 때문에 주변의 온도가 올라가는 발열반응이 되는 것이다.
시판되고 있는 핫팩의 대부분이 최대 12시간 정도 열을 지속적으로 낼 수 있도록 제품이 구성되어있지만 철 가루를 주 소재로 사용하는 핫팩은 발열반응이 일어나 산화철로 변화가 되면 다시 철이 완전히 녹슬었기 때문에 더 이상 산화반응이 일어나지 않는 1회용 제품이다. 끊는 물에 넣어서 사용하는 반영구적인 손난로에는 철가루를 사용하는 것이 아니라 녹는점이 58℃인 아세트산나트륨을 활용한 것이다.

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김민지: 실험준비, 진행, 정리, 촬영
신일건: 실험준비, 정리
유슬아: 실험준비, 진행, 정리

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김민지: 실험 준비, 진행, 정리, 촬영
신일건: 실험 준비, 진행, 정리
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