物理新知–神奇暖袋的原理
文﹕王永雄

暖袋
圖一  這種暖袋不用電力,也不用熱水,實在是神奇哩!

筆者撰寫本文時正值寒流襲港的日子。寒風刺骨,令人不禁想起很多百貨公司都有售賣一種載有顏色液體的暖袋 (圖一)。這種暖袋特別之處是它不用電,也不用熱水。使用者只要把顏色液體內的一塊金屬片輕輕地屈曲一下,然後放手,液體便會由金屬片處開始凝固,並自動熱起來。究竟這種「神奇」暖袋背後的原理是甚麼呢?

原來這暖袋的原理是一種叫過冷 (undercooling) 的現象。讓我們先討論一下我們熟悉的水吧!當溫度低於 時,一般人都會相信水一定處於固態 – 也就是冰。原來這想法是不對的!事實上,懸浮在空氣中的純水在低至零下 的低溫之下也並不一定會凝固。若在 以下,水仍在液態之中,我們便稱這種水為過冷水 (undercooled water)。過冷的現象並非只在水出現,過冷的液態半導體也是存在的,而這更是中大物理系其中一個研究課題。

在一些較寒冷的地區如中國北方,氣溫會低至 以下。懸浮於空氣中的過冷水點隨處可見。當這些過冷水點碰到固體表面或晶體結構與冰相似的固體粒子如碘化銀 (silver iodide) 的時候,它們便會立刻凝結並放熱。原來科學家很久以前已經懂得應用這種原理了!其中一例就是製造人造雨。我們知道雲內的水點有很多都是過冷水點或者是冰粒。科學家只要駕駛飛機飛到雲上,將錪化銀碎片或粉末撒在雲裡,便能催化雲內的過冷水滴凝結而下雨。

說了這麼多,我們要談談那神奇的暖袋了。其實在這種暖袋內的液體是一種過冷液體。換句話說,製成這種液體的物料在一般情況下應該是固態的。當我們把金屬片屈曲,很容易引起液體凝固,當液體凝結成固體的時候便會釋放出潛熱 (latent heat),因此暖袋便會變得很溫暖了。