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古今取暖神器大赏:一场关于温度与风度的奋斗史

橘子大人 中国科普博览 2021-05-01


北京从上周开始就已经慢慢进入了零下,在寒冷的冬天里,“美丽冻人”女孩的必备品就是暖宝宝了。但是你知道暖宝宝的“发家史”吗?暖宝宝又是怎样给我们带来温暖的呢?

 

Part. 1


从汤婆子到暖贴,一部属于暖宝宝的“发家史”

其实在古代就已经有了暖宝宝,但是当时的暖宝宝并不像我们现在这样便捷,而是采用热传递的方式来实现取暖的,又称为“汤婆子”。汤婆子是在导热的容器内装满热水,通过热传递的方式将水的热量传导给我们的身体,这仅仅是一个纯物理的过程。

 

来源:veer图库
 
现代暖宝宝最初是由日本人发明的,又称为“暖贴”。不用火、电、水等其他能源,撕开外袋即可发热,并能维持8-18个小时。
 
来源:百度百科
 
这类的暖宝宝利用氧化反应,从而将化学能转变为热能。暖贴是由原料层,明胶层和无纺布袋三部分组成。无纺布袋是采用微孔透气膜制作而成,它同时还有一个常规不透气的外袋。在使用时,去掉外袋,让内袋(无纺布袋)暴露在空气里,空气中的氧气迅速透过透气膜与内袋的化学物质发生反应。

总的反应过程如下:
 
图片来源:作者提供
 
这种暖宝宝放热的时间和温度是由透气膜透氧速率进行控制的。如果透氧太快,热量就会一下放掉,而且还会烫伤皮肤;但是如果透氧速度太慢,则温度几乎无变化。
 

Part. 2


铁片暖宝宝:取暖就像变魔术

在我上初中的时候,那会兴起的还是一种透明的袋子里装着一个小铁片(一不小心暴露了年纪),只要轻轻掰动小铁片,袋子里的液体就会瞬间结晶并且发热。这对于当时还不了解科学的我简直如变魔术一般。
 
来源:taobao.com
 
铁片式的暖宝宝是如何可以实现轻轻掰动铁片就发热呢?首先来看一下铁片式暖手宝的主要成分:过饱和醋酸钠溶液

那什么是醋酸钠过饱和溶液呢?让我们一起打开尘封已久的记忆。
 
1. 醋酸钠溶液是混合物,但是其主要的成分为醋酸钠,也称为乙酸钠,分子式为CH3COONa。醋酸钠是强电解质,极易溶于水。
 
来源:百度百科
 
2. 过饱和溶液是指一定温度、压力下,当溶液中溶质的浓度已经超过该温度、压力下溶质的溶解度,而溶质仍未析出的溶液。该现象被称为过饱和现象。如下图所示硝酸钾的溶解度曲线,位于曲线上的点为饱和溶液,此时溶液中的溶质质量正好为溶质的溶解度,而位于曲线上方的点,则处于过饱和状态;位于曲线下方的点,则处于不饱和状态。
 
图片来源:作者提供
 
过饱和溶液是不稳定的,如果搅拌溶液、使溶液受到振动、摩擦容器器壁,或者在溶液中投入固体“晶种”,溶液中过量的溶质就会马上结晶析出。

对于醋酸钠过饱和溶液来说,在固定的温度下,醋酸钠溶质在溶剂中是不会发生任何化学反应的。但是由于过饱和溶液中的溶质溶度过高而不稳定,极易发生变化。因此当我们掰动铁片时,铁片产生轻微的振动,这就会使得溶液发生化学变化从而使过饱和溶液结晶,它的结晶过程就是放热的过程,从而会使得暖手宝发热。放热的持续时间约为35-40分钟想要再次使用时只需要将暖手宝放在水里完全融化成液体即可。

注意,不能用沸水直接烫,否则暖手宝不能完全变成液体。同时,暖手宝也并不是可以无限次重复使用的,其最大使用次数约为50次。
 

Part. 3


使用暖宝宝,安全规则要记牢

对于醋酸钠饱和溶液制成的暖手宝,大家在使用时都会比较担心它的安全问题。

其实醋酸钠对人体不会有伤害。举个例子,死海里面的物质主要就是氯化钠,也就是盐,平时泡的时间长了皮肤会感到不舒服。而醋酸钠的腐蚀性,是比氯化钠还要低的。

在日常生活中,醋里面的主要成分就是醋酸,盐里面的主要成分是钠,也就是说醋酸钠是大家都会经常接触的,只是不注意而已。所以即使这种小容量的暖手宝破损,仍然对人体没有危害。

不过,各位“冻人”女孩在使用暖手宝时还是要注意不要被烫伤哦~
 
参考文献:
1. https://baike.so.com/doc/1870436-1978364.html
2. https://baike.so.com/doc/1484114-1569339.html
3. http://k.sina.com.cn/article_2169891005_8155e8bd020004hrt.html
4. http://blog.sina.com.cn/s/blog_b821227301013r0m.html

出品:科普中国
:橘子大人
监制:中国科学院计算机网络信息中心
(本文中标明来源的图片已获得授权)

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