[작성중] 따뜻한 목욕탕 수건 (발열반응)

 내 블로그 안의 여러 작정중인 글들을 마무리할 생각은 안 하고 또 새로운 것을 쓰고 싶어 이렇게 글을 쓰고 있다. 헬스장에서 샤워 후에 따뜻하거나 선선한 수건으로 몸을 닦는 경우가 있는데, 이 수건의 온도를 결정하는 경우에 대해서 말해보고자 한다. 쓰고나니 앞부분은 잡설로 궂이 읽어보지 않아도 되어서 [잡설]/[본내용]으로 구분을 지었다. 타월의 흡습 발열과정만 궁금한 사람은 [본내용]만 읽어보면 된다.

[잡설]

 나의 일과 중 중요한 순간중 하나는 출근 셔틀안에서의 단잠인데, 최상의 단잠 컨디션을 위해 아침에 일어나서 샤워를 하지 않고 셔틀버스에 몸을 실는다.(물론 조금 더 늦게 일어나도 되는 장점도 있지만 더러운 꼴을 하고 집 밖을 나서야하는 단점도 있다.) 회사에 도착하면 뜨고 기름진 머리를 하고 바로 헬스장에 있는 샤워실로 향한다. 헬스장에 가서 운동은 하지 않고 샤워만 하는 나를 반성하며 올해부터는 혹은 이번 계절부터는 운동을 해야지 마음을 단도리질 해보지만 운동복을 입지 않고 벗은 몸을 샤워장으로 향하는 나를 발견하곤 한다. (발견확률 100%인 샤워장으로 향하는 나) 샤워를 하고 나오면서 제일 먼저 찾는 것은 누구나 젖은 몸을 닦을 수건일 것이다. 샤워장에는 보통 샤워실 바로 앞에 수건을 비치해 놓는다. 그리고 간혹 샤워실 바로 앞에서 몸을 닦는 사람이 많을 경우를 대비해서 수건을 샤워실 문 안쪽에 놓는 경우가 있다. 가끔 따듯한 수건으로 몸을 닦을 때면 그 온기로 포근함을 느낄 때가 있다. 방금 건조해서 그 열기를 머금고 있는 수건이라 생각하고 그 순간을 지나치곤 했는데, 어느날 문득 생각해보니 새벽에 방금 건조를 끝낸 수건이 있을리가 없었다. 적어도 전날 세탁 및 건조된 수건들을 창고에 쌓아두고 아침에 샤워실에 수건을 비치하는 것이 일반적인 방법일 것이다. 그럼 왜 어떤 날은 따듯한 수건이고 어떤 날은 보통의 선선한 수건인가? 샤워를 하면서 달궈진 내 몸이 식는 정도가 그 날의 검강 상태에 따라서 달라져서? 이런 고민을 하다 한 가지 조건을 발견하게 되었는데, 그 조건은 샤워실 안 쪽에 놓여져 있는 수건으로 젖은 몸을 닦는 경우였다. 몸을 닦으며 마음 속으로 유레카를 외쳤다. (마음 속으로!) 발견은 보통 목욕탕에서 이루어지나보다. "심 봤다"는 산에서 들리는 소리고 "유레카"는 목욕탕에서 들리는 소리다.

[본내용]

 수건의 주 기능은 액체를 흡수 하는 것이다. (수건의 일생을 보면 초년기에는 깨끗한 액체를 흡수하고 말년에는 속세의 더러움을 흡수하게되는데, 겸손 및 관용을 알아가는 한 인격의 성장도 이와 비슷하지 않을까.) 액체를 흡수하는 과정은 화학 흡착과 물리 흡착이 합쳐진 복합 반응이다. 화학 흡착은 액체 분자가 수건과 만나서 액체 분자가 깨지고 화학결합을 형성하는 경우이고, 물리 흡착은 액체 분자는 그대로 있으면서 액체 분자들 끼리 결합하는 경우이다. 물을 기준으로 우리가 익히 알고 있는 철이 녹스는 과정을 생각해보자. 반짝이고 빛나던 철의 표면이 세월이 지나면 갈색의 까실까실한 상태로 변하게 되는데 우리는 이런 상태를 철이 녹슬었다고 한다. 철의 상태가 변한 것인데, 철이 산화철로 변하는 과정을 우리는 철이 녹슬었다고 표현한다. 녹이 빨리 생기는 경우를 생각해보라, 보통 습도가 높은 상태에 놓여져있는 철들이 녹이 빨리 스는 것을 이미 알고 있을 것이다. 이 것은 철이 녹스는 소스인 산소보다 물이 철에 젖어 있을 때가 더 빨리 반응 한다는 것을 말해준다. 이 과정에서 처음 발생하는 단계가 바로 물의 화학 흡착이다. (조금 어렵게 이 과정을 빨리 설명하고 넘어가자면, 물이 흡착하고 흡착된 산소 원자는 철 내부로 확산해가며 산화철이 점진적으로 성장하게 된다. 확산해가는 산소의 공급처는 물리흡착된 물이다.) 물이 철과 만나 하는 일 중 첫 단계를 바로 앞에 화학 흡착으로 설명하였다. 철의 표면을 물이 모두 화학흡착하게되면 이제 철과 만나고 싶은 물의 입장에서는 철이 산화되어 산소와 수소만 보이고 철은 그 뒤에 숨어있게 된다. 이제 철과 만나고 싶은 물들은 확산해서라도 철과 만나기 위해 철과 화학흡착된 산소/수소와 결합하려한다. 이때 물은 자신을 깨지 않고 물 본연의 모습을 유지한 채 붙어 있게 되는데 이를 물이 물리흡착한다고 표현한다. 물 기체가 액체가 되는 과정과 같다고 생각하면 된다. 이제 다시 수건으로 돌아가면 마치 철과 같이 수건은 일정한 양의 물과 화학흡착하고 그 후에는 물리흡착하게 되어있다. 그러면 수건이 녹스는 것인가? 이건 또 아닌게 수건은 물의 입장에서 화학흡착하기 위한 존재인 완전 결합하지 않은 탄소와 산소, 물리흡착하기 위한 존재인 완전 결합된 산소와 수소가 끝에 나와있는 구조로 되어있고, 수건의 화학 구조상 대부분의 물은 물리흡착하게 된다. (직물은 거의 대부분 물리 흡착한다고 생각하면 된다.)

 이제 수건과 물의 흡착과정에서 발생되는 에너지의 이동에 대해서 살펴보자. (왜 따뜻한 수건이 만들어지는가?) 어린 아이들이 이리저리 뛰어다니며 노는 모습을 보며 아이들은 참 에너지가 넘친다고 말하곤 한다. 에너지가 넘치는 아이들은 막 돌아다니고, 에너지를 바닥까지 다쓴 아이들은 

- gas -> liquid (physisorption): 상변화에 의한 발열반응 (latent heat)

- H2O -> -OH(chemisorption): 화학반응에 의한 발열반응 (chemical reaction)

chemisorbed water에 physisorbed water molecule은 상온(진공)에서 3개 이상이다. 결국 증기의 타월에 흡습과정은 기체가 액체로 변하는 중에 발생되는 잠열에 의한 발열과정으로 이해된다.

흡습물질 별로 젖음에 의한 열[J/g]의 양이 다른 것은 수건(cotton 및 인공직물 등)의 chemisorption moiety가 달라서(hydroxyl group이나 C-O-C의 Oxygen electron lone pair 등) 일 것으로 이해된다.

ref. 

1) M. Wahba M., Nashed S.: Change with Temperature of the Heat of Wetting of Dry Cellulose in Water, and its Bearing on the Specific Heat of the Adsorbed Water and of the Swollen Cellulose, Nature 166 (1950), pp. 998. [https://www.nature.com/articles/166998a0]

2) Measuring the Heat of Wetting of Textile Fibres by Reaction Calorimetry [http://www.fibtex.lodz.pl/pliki/Fibtex_(yw4t8r0adyk7dbcm).pdf]