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手心的太陽怎麼運行?暖暖包的科學

冬天到了超級冷,小手沒人牽的魯編更是常常手腳冰冷,這時有個暖暖包放在手心就算不能補足心靈的冷也能提昇一下手掌的溫度,嗚嗚嗚。市售的暖暖包大概有哪幾種?背後的科學又是什麼呢?

一般來講現在常見的暖暖包大概有三種,一種是最常見也最便宜的拋棄式暖暖包,一拆封就會開始升溫可以使用好幾個小時;一種是用完之後用沸水煮一煮就可以重複使用的暖暖包,在用之前需要摺疊拍打一番,發熱時間大概只有一兩小時;最後一種是電子暖蛋,利用USB插頭充滿電後隨時按下開關就能開始產熱,亦能隨時暫停使用。

拋棄式暖暖包

拋棄式暖暖包

拋棄式暖暖包

拋棄式暖暖包一但拆封後就會開始發熱,搓揉裡面的細沙物質好像會有更熱的感覺,一旦開始使用之後就沒辦法暫停而且用完就得丟掉。這種暖暖包裡面的主要成份是:鐵粉、食鹽、蛭石、和活性炭,有點化學概念的人就會知道,這其中的主要發熱成分是靠鐵粉,其他的物質只是來輔助反應的進行,這種反應叫做氧化還原反應。

氧化還原反應

氧化反應與還原反應是一體兩面的事情,從電化學的角度來看,失去電子的物質被氧化,得到電子的物質被還原,換句話說一個物質要氧化必定代表另一個物質被還原,反之亦然。兩個物質透過電子的轉移,個別從一個比較高能的不穩定狀態轉變成一個比較低能量的穩定狀態,並且釋放出能量,這就是一個放熱的氧化還原反應,拋棄式暖暖包正是利用這種原理來發熱。

氧化還原反應牽扯到電子的轉移

氧化還原反應牽扯到電子的轉移

拆封後暖暖包裡面的鐵粉開始接觸空氣中的氧氣並開始氧化還原反應,這個反應其實就是日常生活中常見鐵生鏽的反應,反應式如下:

4Fe(s)+3O2(g)→2Fe2O3(s)             ΔH=-826 KJ/mol

這個式子所表達的意思就是鐵被氧氣氧化,而每莫耳的鐵被氧化成氧化鐵時會放出826千焦耳的熱量,如果假設一包暖暖包裡面有11克左右的鐵粉,完全反應後大概可以提供39520卡左右的熱量,稍微轉換計算一下的話,大概可以想像是10克左右的碳完全燒掉所能產生的熱能。

這邊產生兩個很重要的問題,第一個是,一般生活經驗告訴我們鐵生鏽是很慢的過程,為什麼我們可以在短時間內就把鐵氧化掉?第二個問題是,為什麼跟燃燒10克的碳產生一樣的熱量,如果真的是燒炭我們的手可能已經燙傷了,為何暖暖包可以慢慢的釋放熱量而不致於溫度太高?

一開始所提到的氧化還原其實就是電子的轉移,電子就像想像中的電一樣,有適當的導電介質才能使反應進行的更快,暖暖包裡面的蛭石是一種矽酸鹽類的礦物,裡面很多空隙而且有涵水的能力,與活性炭一樣,這兩個添加物接觸空氣後都會快速的吸收空氣中的水份,而光有水還不夠因為水本身導電性不強,因此添加的食鹽就在這時派上用場,食鹽溶解後變成電解液,可以幫助電子以及離子的轉移,所以有了這些添加物的幫忙才能使鐵的氧化反應加速進行。

有水才能讓鐵離子移動並與氧氣形成氧化鐵,也加食鹽的水溶液可以讓離子的移動效果更好

有水才能讓鐵離子移動並與氧氣形成氧化鐵,也加食鹽的水溶液可以讓離子的移動效果更好

至於第二個問題,答案跟第一個問題其實也有些相似,首先溫度的高低可以用以下公式表示:ΔH=msΔT,ΔH是熱量的變化,m是質量,ΔT是溫度變化,其實就是得要計算暖暖包本身的比熱,再來要考慮的就是反應速率的問題,因為這些添加的輔助物質可以決定反應速度的快慢,而在越短的時間內提供越多熱量溫度就會上升的越高(因為溫度散失的速率基本上不太會改變),所以廠商會調整添加物的量,讓反應不要太快也不要太慢,調到一個正好適合冬天和寂寞的溫度。

當然有許多國高中生的科展題目都曾經探討過如何改良這類的暖暖包,例如使用比鐵更活潑的金屬如鎂或鋅等等,各種改良都很有潛力但最重要的還是如何讓使用人用起來舒適方便並且成本適宜而不是一味的追求更熱或更持久。

重複利用型暖暖包

重複使用型暖暖包

重複使用型暖暖包

這種暖暖包比較少見點,使用時先折一折壓一壓就會開始發熱,發熱時間也比較短大約一兩小時就不會再熱了,這種暖暖包的原理是利用過飽和溶液結晶的原理。

過飽和溶液

當一種溶質溶解在水裡面時,我們稱這個溶液叫水溶液,而每種物質都有一個最高可以溶解的量,到達這個量以後就無法在溶解更多溶質了,這時此溶液給他叫做飽和溶液。

經驗告訴你,如果要在飲料裡面溶解更多的糖,你只要加熱就可以辦到,當我們把飽和溶液加熱,溶入更多溶質再冷卻回原來溫度時,如果沒有結晶析出,這溶液就變成了過飽和溶液。然而過飽和溶液相當不穩定,只要受到一些刺激就會突然變成晶體析出,以下是過飽和醋酸受刺激後結晶的影片:

影片中,只要把一顆小小的醋酸結晶放入過飽和醋酸溶液中,晶體就會依附著晶核快速形成。

在醋酸鹽過飽和溶液晶體析出時,因為從一個不穩定的狀態到一個穩定的狀態,這過程也會放出熱量,這類暖暖包就是利用這個原理來發熱。它的構造其實就是一個包著過飽和的醋酸鹽溶液的塑膠袋子,裡面有塊鐵片,這鐵片正是關鍵所在。

鐵片裡面有些小空間,這空間裡面不利於形成過飽和溶液,所以裡面其實已經有醋酸結晶了,當鐵片被擠壓時這些結晶就會釋放出來,而一接觸到結晶體的過飽和溶液就會立刻開始結晶。

但是因為相轉變所釋放出的熱量遠不如化學反應所產生的熱量,因此能使用的時間也比較短,好處就是使用完後可以把暖暖包丟到熱水裡面加熱,結晶的醋酸鹽就會又被溶成過飽和溶液,以供下一次使用了。

充電暖蛋

充電式暖蛋

充電式暖蛋

暖蛋就相對的簡單許多,只需要先用USB插頭接上電源充滿電,等需要用時再打開開關就可以使用。他的原理其實就是把電能轉成熱能,P=I2R的公式就可以表示其原理,其中P是功率(每單位時間內產生多少能量),I是電流,R是電阻。

把儲存的電流通過一個高電阻的的阻抗就可以開始產生熱能,其中的巧妙之處就是一般的暖蛋裡面會有個感溫晶片,可以設定在一個特定的溫度,只要偵測到該溫度時就會停止供電,這樣就可以確保溫度不會太燙又能使用的長久,至於為什麼大家都做成蛋形又被叫做暖暖蛋我也不知道別問我了。

所以總結來講各種暖暖包都有自己的優缺點,如何選擇就都還是看個人喜好了:

  • 拋棄式暖暖包便宜好用,但是如果顧慮到環保的問題就可能不太良好。
  • 醋酸鹽式的重複利用型暖暖包也不貴,可以多次利用,但是使用時間短。
  • 充電式的暖蛋價錢貴一些,只要充電數十分鐘就可以重新使用,造型可愛,但是如果弄丟就比較心疼,或買到的是對面某強國的黑心貨不排除發生漏電或是短路爆炸等危險。

終於知道暖暖包怎麼暖暖手,那什麼時候才會遇到不只暖手也能讓左心房暖暖的好飽滿的暖暖包呢?

關於作者

卓然

PanSci 實習編輯,陽明大學生物醫學技術暨檢驗學系畢業。對科學新知總是充滿興趣與好奇,對各種事情都保持懷疑和謹慎的態度所以常常被覺得人很機歪,但我真的只是想要很科學而已啊!