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手心的太陽怎麼運行?暖暖包的科學

李 卓然
・2015/01/23 ・2889字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

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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?

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李 卓然
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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!

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1644字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
linjunJR_96
31 篇文章 ・ 539 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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SmartReading 科普閱讀力大賽——打造新世代自主閱讀指標,培養學子適性成長!第三屆頒獎典禮暨第四屆賽事啟動!
PanSci_96
・2022/09/26 ・3811字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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108 課綱開啟全新閱讀素養時代。

科學素養不再侷限於考試的解題方法,學生閱讀科學讀物時,如何在氾濫資訊中找到高品質、適合學習程度的科學素材,是教育現場至關重要的課題。

臺灣師範大學 SmartReading 團隊將 AI 讀物難度分級技術,透過測驗、選書、閱讀、讀後回饋四大功能,完整記錄孩子的學習歷程,提升中小學生科普閱讀動機,成為自律自主的科普學習者。

臺灣師範大學於 110 年至 111 年間,與國科會、新北市、臺中市等單位合作,連續辦理三屆「SmartReading 科普閱讀力大賽」,每屆競賽歷時半年。競賽組別以國小三年級至高中一年級共分七個組別。參賽學校涵蓋臺北市、新北市、臺中市、臺南市、高雄市、花東等十九縣市,報名參賽人數累計八千餘人。

國立臺灣師範大學第四屆科普賽將擴大辦理,邀請PanMedia泛科學馮瑞麒總經理、數感實驗室賴以威教授、臺大科教中心賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章。圖/國立臺灣師範大學

由系統建置適合學生閱讀的兩千多本科普讀物

競賽期間,參賽學生使用「SmartReading 適性閱讀」系統,透過精準快速的中文閱讀能力診斷,將閱讀程度與讀物難度適配。藉由系統已建置,適合國小三年級至高中一年級的 2,180 餘本科普讀物,不僅能激勵其學習動機,更可有效提升選擇的效率,降低科學閱讀恐懼。第三屆科普閱讀力大賽不受疫情波擾,採實體與線上兩種施測方式,於 111 年 5 月份圓滿完成賽事。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。圖/國立臺灣師範大學

臺師大宋曜廷副校長表示,數位閱讀邁向新時代,團隊使用「SmartReading 適性閱讀」系統作為科普賽競賽平台,期望在知識爆炸的時代,藉由測驗、選書、規劃的「智慧閱讀三步驟」,培養學子的跨領域閱讀力與閱讀習慣,讓學生們手握知識大門的鑰匙,成為自律自主的「SmartReader」。

科普閱讀競賽的三大特色

一、適配閱讀能力與圖書難度,擴增多元書籍與文章素材

參賽學生首先須參加中文適性閱讀能力診斷(DACC),依據診斷結果,配合其當前閱讀能力的科普推薦書單,讓學生選書有依據、個人化。本競賽目前共有「推薦書單」、「推薦文章」等 2 種閱讀素材,主題包含植物/動物、數學、天文地科、物理/化學等 8 大類別。「推薦文章」功能,則與「PanSci 泛科學」及「數感實驗室 Numeracy Lab」合作評選,當前提供 600 餘篇線上科普短文,競賽期間提供已超過 4,000 人次的瀏覽次數。

二、綜合性閱讀五力分數,開啟學生全方位閱讀力

本競賽賽程為期半年,學生透過「前測、閱讀任務挑戰、後測」三個階段。競賽期間,系統詳細記錄每週閱讀歷程,並產出線上「閱讀五力分數」報表。自主規劃閱讀期間計算為「規劃力」;讀後評量填答結果計算為「執行力」;閱讀多元書籍類別的結果計算為「博學力」;閱讀單一書籍類別的深化成果則計算為「精進力」;前後測成長結果計算為「成長力」。將閱讀能力數據化、可視化。

三、閱讀任務徽章,深化學生文化素養與科普閱讀興趣

本競賽內建徽章蒐集系統,參賽者於指定時間依據提示完成閱讀任務,即可獲得期間限定的特色科普徽章。任務內容包含閱讀指定的書單及文章類別、世界性科普節日、科學家生辰、台灣重要節慶與其他隱藏任務。本屆各年級累計獲得徽章達 20423 枚,因設計活潑及任務類型多樣,大受參賽者好評。

競賽結果發現學生的閱讀偏好

一、科普閱讀參與,國小男性最踴躍

活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。以不同學習階段來看;國小參賽者整體閱讀平均本數為 24 本,男生平均閱讀本數為 28 本,女生平均閱讀本數為 20 本。國、高中參賽者因科普讀本難度較高,需要較長的閱讀時間及一定的科學基礎知識,國中參賽者整體平均閱讀書籍數為 10 本;高中參賽者中女性平均閱讀本數多於男性,整體平均閱讀書籍數為 7 本。

總閱讀量/本人數平均閱讀量/本
全體學生21,1531,10019
8,05150516
13,10259522
國小學生17,47971624
6,47432520
11,00539128
國中學生3,45935510
1,4611669
1,99818911
高中學生215297
116148
99157
活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。表/國立臺灣師範大學

二、學生偏好閱讀動物/寵物類與地球生態/天文類書籍

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類(男生 28.19%、女生 27.91%)最能引起學生的閱讀興趣(如:《昆蟲老師上課了!:吳沁婕的超級生物課》、《小島上的貓頭鷹》、《神奇樹屋》等系列)。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍(男生 15.20%、女生 16.87%)。

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類最能引起學生的閱讀興趣。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍。圖/國立臺灣師範大學

三、參賽學生閱讀歷程的質與量均佳,表現令人驚豔

本次參賽學生皆積極參與競賽。

以三年級組第一名得主,臺北市立大同國小的林靖軒同學為例,競賽期間閱讀書籍本數高達 383 本,書籍讀後評量的通過率更高達 95%,書籍不僅讀得多,更是能讀得要領。

四年級組第一名為第二次參賽的新北市信義國小謝秉言同學,本次競賽期間共閱讀 427 本書。

其中五年級組為本次競爭最激烈的一組,臺北市立長春國小的黃葦川同學以及高雄市立集美國小的吳勁毅同學,兩者僅以極小的分數差距位居第一及第二名。

此外,第一次參與競賽的高雄市立正義國小的孫政遠,競賽期間閱讀 281 本書籍,通過率達到 97%。

四、教育主管機關、學校師長及家長支持鼓勵,帶動學生優異表現

新北市教育局致力於推動智慧閱讀教育,不遺餘力,成果豐碩。本屆競賽全台共 2,104 人報名參與,全國賽獎項獲獎學生共計 36 人,其中新北市得獎學生便囊括 14 位,表現相當亮眼。

家長與學校師長共同陪伴,使得學生能專注於本次競賽,並有相當卓越的成果,例如新北市康橋國際學校、臺中市明道中學、臺中市葳格國際學校、臺北市東山中學等校,皆因全力推廣閱讀活動,才能有優異的競賽成果。以新北市康橋國際學校國中部為例,此次七年級組參賽者,全國賽前5名得主中,康橋中學就獲有 3 名的佳績。

臺師大華語文與科技研究中心洪嘉馡教授說明第三屆科普閱讀力大賽成果。圖/國立臺灣師範大學

第四屆科普閱讀力大賽即將開跑

延續前三屆廣受好評之科普賽事,第四屆科普賽將擴大辦理,邀請「PanMedia 泛科知識股份有限公司」馮瑞麒總經理、「數感實驗室 Numeracy Lab」賴以威教授、「國立臺灣大學科學教育發展中心」賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章,預期第四屆科普閱讀力大賽將能讓全球讀者有更高品質的閱讀體驗和更充實的閱讀收穫。

活動詳情請參閱官方網站
新聞聯絡人:高等教育深耕計畫辦公室——鄭德蓉 02-2366-0916 #111

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