전기포트는 끓는 순간을 어떻게 아는가 — 100도에 맞춰진 금속 한 장

아침 6시 20분, 물 1.5리터를 넣고 버튼을 누른 지 4분쯤 지나 물이 부글부글 소리를 내기 시작하면, 손대지 않았는데도 포트가 스스로 딸깍 하고 꺼진다. 100도를 1도도 넘기지 않은 것 같은데, 그 정확한 타이밍을 누가 어떻게 맞추고 있는 걸까.

통념: 물이 끓으면 증기가 센서를 밀어서 끈다

많이 알려진 설명은 이렇다. 뚜껑 안쪽에 증기가 모이고, 그 증기가 작은 구멍을 통해 스위치 쪽으로 불어 들어가 스위치를 튕겨 전원을 끊는다. 실제로 1980~90년대 영국 스트릭스(Strix) 사가 특허를 낸 방식이 이 원리였고, 지금도 플라스틱 포트의 일부 부품은 이 계보를 이어받았다. 증기 통로가 막히면 포트가 꺼지지 않아 계속 끓는 사고가 나는 것도 이 설명이 일부 맞다는 증거다.

하지만 이 설명만으로는 두 가지가 설명되지 않는다. 왜 물을 넣지 않고 스위치만 올리면 십여 초 만에 다시 딸깍 꺼지는지, 그리고 왜 물을 반만 넣은 것과 꽉 채운 것의 꺼지는 시점에 차이가 나는지. 증기만 본다면 물의 양은 문제되지 않아야 한다.

전기포트 하부의 스위치 조립체. 오른쪽에 바이메탈 판이 보인다 — Syced, CC BY-SA 3.0 (Wikimedia Commons)

증기가 닿기 전에 이미 끊기는 이유

스테인리스 전기포트를 분해해 뒤집어 보면 바닥 중앙에 손가락만 한 금속판이 붙어 있다. 이것이 바이메탈, 우리말로 이중금속이다. 성질이 다른 두 금속을 길이 방향으로 붙여 놓은 얇은 띠로, 보통 철과 구리, 혹은 철과 황동을 조합한다. 철의 열팽창 계수는 약 12, 구리는 약 17로, 단위는 100만분의 1 퍼 켈빈(1 K 온도가 오르면 원래 길이의 100만분의 몇만큼 늘어나는지를 나타내는 값)이다. 같은 온도에서 구리가 철보다 40% 넘게 더 늘어난다.

두 금속을 떼어 놓으면 그냥 각자 늘어나고 끝이다. 하지만 붙여 놓으면 서로 다른 길이를 내려고 버티다가, 늘어나려는 쪽이 바깥이 되고 덜 늘어나는 쪽이 안쪽이 되어 띠가 휜다. 1863년 프랑스 물리학자 이봉 빌라르소가 시계 정밀도를 높이려고 유도한 식에 따르면, 휨의 곡률은 두 금속의 팽창 계수 차이와 온도 차이에 비례하고 띠의 두께에 반비례한다. 바이메탈에서 눈에 보이는 것은 길이 변화가 아니라 이 휨이다. 길이 변화는 수백분의 1밀리미터에 불과하지만, 끝단의 이동은 그보다 훨씬 크게 증폭된다.

같은 온도 변화에 대해 두 금속을 붙인 바이메탈 띠가 휘는 모습 — ToobEZ, CC0 (Wikimedia Commons)

접점을 떼는 순간: 딸깍 소리의 정체

포트 바닥의 바이메탈은 끝에 작은 접점이 붙은 스프링 판과 마주 보고 있다. 전원이 들어오면 바이메탈이 데워지며 서서히 휘어, 접점 간격이 좁아진다. 거의 닿을 듯 가까워지는 지점에서 자석 래치(누르면 붙었다가 다시 누르면 떨어지는 기계식 걸쇠)가 풀리고, 스프링이 남은 힘을 한꺼번에 받아 접점을 확 벌린다. 우리가 듣는 딸깍 소리는 그 순간의 소리다. 즉 끓는 것을 감지하는 장치가 아니라, 온도가 정해진 값에 이르면 기계적으로 작동하는 스위치인 셈이다.

온도 설정은 조립할 때 나사나 리벳으로 정해진다. 바이메탈을 조금 더 조이면 더 높은 온도에서 휘어 접점에 닿으므로 더 뜨겁게 끓고, 느슨하게 하면 더 일찍 꺼진다. 물의 끓는점이 해발 고도에 따라 달라지는 것도 이 설정값과 어긋나는 지점이다. 해발 1,000미터쯤에서는 물이 약 97도에서 끓는데, 100도에 맞춰진 포트는 그 높이에서는 끓고 나서도 조금 더 가열한 뒤에야 꺼진다. 반대로 고도가 높은 곳에서 쓰면 물이 덜 익는다고 느낄 수 있다.

물이 없을 때: 끓는점보다 뜨거운 열이 만드는 안전장치

물을 넣지 않고 스위치를 올리면 어떻게 될까. 열이 갈 곳이 없어 바닥 온도는 삽시간에 100도를 넘어 130~150도까지 오른다. 이때 바닥판에 붙은 별도의 바이메탈이 훨씬 크게 휘어, 정상 운전 온도에서는 닿지 않던 두 번째 접점을 밀어낸다. 그것이 건식 보호 장치다. 물이 마른 채로 몇 분만 더 두면 플라스틱 하우징이 녹거나 발열이 심해지므로, 이 장치는 마지막 방어선이지 정상 사용을 보장하는 장치가 아니다.

여기에 온도 퓨즈가 하나 더 붙는 경우가 많다. 한 번 녹으면 되돌아오지 않는 합금으로, 180도 전후에서 끊어져 회로를 영구히 끊는다. 즉 안전은 세 겹이다. 정상적으로는 온도 설정 바이메탈이, 물이 없으면 건식 바이메탈이, 그마저 실패하면 퓨즈가 끊는다.

증기식과 바이메탈식은 어디서 갈리는가

증기 감지식은 물의 온도가 아니라 수증기의 흐름을 본다. 그래서 뚜껑을 열어 두거나 증기 구멍이 물때로 막히면 작동하지 않는다. 반면 바이메탈식은 금속 자체의 온도를 재기 때문에 밀폐 여부와 무관하지만, 열이 금속에 전달되는 속도에 영향을 받는다. 물이 적으면 바닥이 빨리 뜨거워져 더 일찍 꺼지고, 물이 많으면 그만큼 늦게 꺼진다. 앞서 던진 바와 같이 물의 양에 따라 꺼지는 시점이 달라지는 관찰은 바로 이 차이에서 나온다.

두 방식은 대개 함께 들어간다. 물이 끓어 넘치면 바닥의 바이메탈이, 물이 정상적으로 끓으면 증기 통로가 먼저 반응하도록 이중으로 설계하기도 한다. 어느 쪽이 먼저 작동하느냐는 모델마다 다르고, 제조사가 공개하지 않는 경우가 많다.

이 설명이 틀리는 경우

바이메탈 설명은 물이 실제로 100도에 도달한다는 전제 위에 서 있다. 그런데 뚜껑을 열고 끓이면 수증기가 계속 빠져나가면서 기화열을 빼앗아 가고, 물의 온도는 100도 근처에서 정체하지만 바닥판은 계속 가열된다. 이때는 온도 설정값과 실제 물의 온도가 어긋나, 물이 덜 끓었는데도 꺼질 수 있다. 또한 바이메탈은 피로를 겪는다. 수천 번 반복해서 휘면 원래 모양으로 돌아오지 못하고, 설정 온도가 조금씩 흐트러진다. 오래 쓴 포트가 예전보다 일찍 꺼지는 이유가 여기에 있다.

그리고 증기식이라는 설명이 완전히 틀린 것도 아니다. 실제로 많은 포트에서 증기 통로가 먼저 스위치를 튕기고, 바이메탈은 건식 보호와 온도 유지에 관여한다. 증기 대 바이메탈은 배타적 선택이 아니라, 어느 쪽이 주된 방아쇠인가의 문제다.

생활에 적용되는 판단 세 가지

첫째, 물의 양을 지침선 안에 맞춘다. 바닥의 바이메탈이 물에 잠겨 있어야 열을 고르게 받고, 최소선 아래로 내려가면 건식 보호 장치가 작동해 일찍 꺼지거나 반대로 계속 켜지는 고장으로 이어질 수 있다. 둘째, 물때를 주기적으로 닦는다. 바닥에 두꺼운 물때가 끼면 금속에 열이 늦게 전달되어 끓는 시간이 길어지고, 같은 양의 물을 끓이는 데 전기가 더 든다. 셋째, 끓자마자 따르지 말고 10초쯤 두는 편이 낫다. 스위치가 꺼진 직후에도 바닥판은 잠시 뜨거우며, 물이 넘치면 그 열이 바로 증기가 된다.

고도가 높은 곳에서 산다면 설정값이 100도인 포트는 실제 끓는점과 어긋난다. 해발 1,000미터쯤의 도시라면 물은 97도 전후에서 끓고, 포트는 그보다 조금 더 가열한 뒤 꺼진다. 물이 더 뜨거워지니 나쁘게만 볼 일은 아니지만, 차를 우리는 온도처럼 미세한 차이가 중요한 일에는 온도계가 필요하다.

독자에게

여러분 집의 포트는 물을 넣지 않고 스위치를 올렸을 때 몇 초 만에 꺼지는가. 그리고 물을 최소선만큼 넣었을 때와 가득 넣었을 때, 꺼지는 시간이 얼마나 차이 나는가. 두 값을 재어 보면, 그 포트가 온도를 보고 있는지 증기를 보고 있는지 어느 쪽에 가까운지 짐작할 수 있다.

참고 자료

· Wikipedia, "Bimetallic strip" — 구조, 재료, 이봉 빌라르소의 곡률 식, 존 해리슨의 1759년 H3 시계 적용. https://en.wikipedia.org/wiki/Bimetallic_strip
· Wikipedia, "Thermal expansion" — 철 약 12, 구리 약 17 (100만분의 1 퍼 켈빈) 팽창 계수.
· Wikimedia Commons, "Bimetallic strip.svg" (ToobEZ, CC0), "Strix kettle switch detail 1.jpg" (Syced, CC BY-SA 3.0).