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暖暖包的原理

2020-07-16

暖暖包的原理

市面上暖暖包的种类大致分为两种,一种是铁粉及食盐製作的一次性暖暖包,顾名思义就是用过一次后就无法再利用了。它的发热原理是铁粉经搓揉之后,与空气中的氧气进行氧化作用,铁粉经氧化生鏽而放出热量,但铁在有水时才容易进行放热反应,所以通常会加入食盐等容易吸收空气中水分的物质使反应易于进行,达到保暖效果。

另外一种暖暖包的发热机制是利用醋酸钠在水里面溶解度的特性。这种暖暖包中的醋酸钠水溶液原是处于过冷(过饱和)状态,暖暖包中有一小铁片,当有外力按压此小铁片产生微小震动,过冷(过饱和)的醋酸钠水溶液受到扰动,开始从不稳定状态趋向稳定状态,此时醋酸钠开始结晶并释放潜热,暖暖包发挥其功效。

暖暖包的原理

图一 理想的T-C phase diagram(来源:本文作者绘图)

由理想的醋酸钠与水的 T-C phase diagram(图一)可简单解释此种暖暖包的发热原理。T-C phase diagram 为 A、B 两物质混合后,因其混合比例不同而影响融点的图。

A 物质的融点会因为加入了 B 物质,受溶质效应之影响,使 A 物质的融点下降;同样地,B 物质的融点也会因加入 A 物质,使 B 物质的融点下降。当 A 和 B 混合到某个比例时,A 和 B 会有相同的融点,该点称为共融点 \((e)\)。

假设 A 为纯水,B 为醋酸钠,A 和 B 混合后为醋酸钠水溶液。共融点的重要性在于,此点是醋酸钠水溶液能够维持在液态的最低温度。在热力平衡下,低于此温度时,纯水和醋酸钠都会变成固态。若热力不平衡,低于此温度时,则可能会有过冷现象发生。

如图一所示,醋酸钠水溶液一开始为过冷(过饱和)状态 \((1)\),按一下里面的铁片是刺激它核化,固体会出来,放出潜热,温度会往上升 \((1\to 2)\)。假使里面的液体全部变成固体 \((2\to 3)\),浓度最多只会回到最初的浓度。此时若要将暖暖包里的固体全部变成液体,必须加热将其温度升高。

加热的方式有很多种,但此种暖暖包不可直接加热,因为直接在火上加热会烧掉。通常使用隔水加热,使暖暖包里面的固态物质融化变成液态,而加热温度也有所限制,不能加热超过水的沸点,亦即加热温度最高只能够在水的沸点以下。由 \(3\to 4\) 即可将固态物质全部变成液态,静置一段时间后,醋酸钠水溶液又会回到过冷状态。因此,可利用此图来调配液体的初始浓度。假设水的沸点在 \(T_{b,A}\),调配的浓度要介于 \(X_1\) 和 \(X_2\) 之间。

另外有些延伸的问题,例如:为何要用醋酸钠作为暖暖包的材料呢?第一,醋酸钠相较其他化学物质要来的安全。第二,醋酸钠是少数可以在室温下有过冷状态的物质。暖暖包发热原理还有许多有趣的现象,例如:为何按压铁片可以帮助核化(从液态变固态)?因为按压铁片之后,造成液体振动并改变水溶液密度,而密度的改变相当于在一个局部的地方给它一点点的能量,让它突破核化的能量障碍。

暖暖包的原理

图二 实际醋酸钠与纯水的T-C phase diagram(来源:参考文献2)

有时候会在暖暖包里看到一些沈澱物,这跟实际醋酸钠与水的 T-C phase diagram 有关(图二)。看到的沈澱物应该是醋酸钠水合物 \((\mathrm{CH_3CO_2Na\cdot 3H_2O})\),水合物出来之后,剩下的溶液里面是真正浓度较高的醋酸钠水溶液,该溶液还是处于一个过冷(过饱和)状态。醋酸钠水合物其实对纯的醋酸钠析出并没有太大的帮助,因为这两个固态的结构有所差异,因此纯的醋酸钠无法有效地在醋酸钠水合物上面成长。


参考资料


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