暖暖包的原理

暖暖包的原理
國立臺灣大學大氣科學所碩士生謝璨筑

市面上暖暖包的種類大致分為兩種，一種是鐵粉及食鹽製作的一次性暖暖包，顧名思義就是用過一次後就無法再利用了。它的發熱原理是鐵粉經搓揉之後，與空氣中的氧氣進行氧化作用，鐵粉經氧化生鏽而放出熱量，但鐵在有水時才容易進行放熱反應，所以通常會加入食鹽等容易吸收空氣中水分的物質使反應易於進行，達到保暖效果。

另外一種暖暖包的發熱機制是利用醋酸鈉在水裡面溶解度的特性。這種暖暖包中的醋酸鈉水溶液原是處於過冷(過飽和)狀態，暖暖包中有一小鐵片，當有外力按壓此小鐵片產生微小震動，過冷(過飽和)的醋酸鈉水溶液受到擾動，開始從不穩定狀態趨向穩定狀態，此時醋酸鈉開始結晶並釋放潛熱，暖暖包發揮其功效。

圖一 理想的T-C phase diagram(來源：本文作者繪圖)

由理想的醋酸鈉與水的 T-C phase diagram（圖一）可簡單解釋此種暖暖包的發熱原理。T-C phase diagram 為 A、B 兩物質混合後，因其混合比例不同而影響融點的圖。

A 物質的融點會因為加入了 B 物質，受溶質效應之影響，使 A 物質的融點下降；同樣地，B 物質的融點也會因加入 A 物質，使 B 物質的融點下降。當 A 和 B 混合到某個比例時，A 和 B 會有相同的融點，該點稱為共融點 \((e)\)。

假設 A 為純水，B 為醋酸鈉，A 和 B 混合後為醋酸鈉水溶液。共融點的重要性在於，此點是醋酸鈉水溶液能夠維持在液態的最低溫度。在熱力平衡下，低於此溫度時，純水和醋酸鈉都會變成固態。若熱力不平衡，低於此溫度時，則可能會有過冷現象發生。

如圖一所示，醋酸鈉水溶液一開始為過冷（過飽和）狀態 \((1)\)，按一下裡面的鐵片是刺激它核化，固體會出來，放出潛熱，溫度會往上升 \((1\to 2)\)。假使裡面的液體全部變成固體 \((2\to 3)\)，濃度最多只會回到最初的濃度。此時若要將暖暖包裡的固體全部變成液體，必須加熱將其溫度升高。

加熱的方式有很多種，但此種暖暖包不可直接加熱，因為直接在火上加熱會燒掉。通常使用隔水加熱，使暖暖包裡面的固態物質融化變成液態，而加熱溫度也有所限制，不能加熱超過水的沸點，亦即加熱溫度最高只能夠在水的沸點以下。由 \(3\to 4\) 即可將固態物質全部變成液態，靜置一段時間後，醋酸鈉水溶液又會回到過冷狀態。因此，可利用此圖來調配液體的初始濃度。假設水的沸點在 \(T_{b,A}\)，調配的濃度要介於 \(X_1\) 和 \(X_2\) 之間。

另外有些延伸的問題，例如：為何要用醋酸鈉作為暖暖包的材料呢？第一，醋酸鈉相較其他化學物質要來的安全。第二，醋酸鈉是少數可以在室溫下有過冷狀態的物質。暖暖包發熱原理還有許多有趣的現象，例如：為何按壓鐵片可以幫助核化（從液態變固態）？因為按壓鐵片之後，造成液體振動並改變水溶液密度，而密度的改變相當於在一個局部的地方給它一點點的能量，讓它突破核化的能量障礙。

圖二 實際醋酸鈉與純水的T-C phase diagram(來源：參考文獻2)

有時候會在暖暖包裡看到一些沈澱物，這跟實際醋酸鈉與水的 T-C phase diagram 有關（圖二）。看到的沈澱物應該是醋酸鈉水合物 \((\mathrm{CH_3CO_2Na\cdot 3H_2O})\)，水合物出來之後，剩下的溶液裡面是真正濃度較高的醋酸鈉水溶液，該溶液還是處於一個過冷（過飽和）狀態。醋酸鈉水合物其實對純的醋酸鈉析出並沒有太大的幫助，因為這兩個固態的結構有所差異，因此純的醋酸鈉無法有效地在醋酸鈉水合物上面成長。

參考資料

1. 大氣物理化學第二章講義 [作者：陳正平老師]
2. Studies on sodium acetate trihydrate for latent heat storage [作者：Takahiro Wada, 1985]
3. http://case.ntu.edu.tw/magichem/blog/?p=965 化學小知識-醋酸鈉暖暖包-國立台灣大學科學教育發展中心
4. http://waknow.com/?p=5828 [知識分享] 抵抗寒冬，暖暖包原理知多少 | Waknow我懂