科展報告

科別:理化科類別:物理類作品名稱:寒冬救命星-暖暖包發熱實驗關鍵字:暖暖包 放熱 指導老師:蔡仲寧老師班級:8 年 17 班作者:81726 洪嘉佑 81730 莊岳霖 81735 黃川

作品名稱:寒冬救命星-暖暖包發熱實驗摘要:在第三冊 5-4 中的想一想中，有提到暖暖包，因此，想藉由此次科展來探討暖暖包的發熱情形。在首次討論中，打算先由實驗取得暖暖包發熱情形，在加以探討及改良。在前幾次實驗中，發現必須超過 24 小時才能取得大略圖形。為縮短時間方便測量，將暖暖包分份測量，並發現因箱子過小，導致氧氣不足，於是將蓋子打開，發現打開後溫度會迅速飆升，便將此加入觀測，發現暴露在空氣下的鐵粉，升溫極快，降溫也很快。正當不知保溫與氧氣充足如何解決時，靈光一閃，發現實驗與我們實際使用的暖暖包不太相似，於是模擬人的手與暖暖包的接觸方式。實驗到寒假便宣告暫停，將實驗報告整理整理，理出些頭緒，設計下一個更接近實際的實驗。研究動機:在寒冷的冬天，手持一包暖暖包，是一大享受，而且每當暖暖包較不溫暖時，就搓一搓，又熱了起來，真奇怪?且過了一天，有些感覺還是熱的，但有的幾小時後，便感覺不熱了；感覺不熱後，過一段時間，暖暖包便有了像鏽一般的咖啡色，還帶著類似鐵的鏽味，說不定暖暖包有鐵的成分，值得討論。研究目的:1.了解暖暖包放熱情形並畫出其圖形，以方便以後研究及改良。2.加入各種不同的變因，看其影響並增加自製暖暖包的可能性與特殊性。3.了解其成分並加以改良，做出較個人化的暖暖包(時間長或熱度久等等)。4.試圖做出環保的暖暖包，或尋找環保的替代材料。研究過程與方法:(數據位於另一附件檔-相關數據與圖檔)

實驗一研究目的:了解暖暖包的放熱情形，並嘗試畫出圖形。研究設備及器材:1.保麗龍盒 1 個(鑚一符合溫度計大小洞) 2.水銀溫度計 1 個3.暖暖包 2 個(熊與兔子) 4.剪刀 1把5.電子錶 1 個 6.磁鐵 1塊7.袋子 1 個研究過程或方法:1.將溫度計插入保麗龍蓋中。2.撕開包裝，並摩擦一分鐘。3.將暖暖包剪開，並到入保麗龍盒中。4.將蓋子連同溫度計蓋上。(注意:插入的溫度計蓋上時插入鐵粉中且不觸碰盒

底)5.每 1 分鐘測量一次，初溫 1 次+15 次 1 分鐘，共 16 次6.將鐵粉收集入袋。(若掉於桌上，以磁鐵包紙，吸住並連紙拆離磁鐵到入袋中)7.器材歸位。研究結果:(兔子圖案之數據 1、2 因操作有誤，不已列入)

討論:1.熊圖案有升溫與降溫的變化，但兔子沒有。2.兔子還未下降。3.兩者圖形類似，但位置不同。4.摩擦方式與力量不一，放入時間不一。5.到入可能產生散熱問題，插入位置有所差別(鐵粉多寡與深淺)。6.鐵粉殘留餘箱內。7.因測量時間不同，導致溫度不同。結論:發現特殊情形 可能原因 解決方法1.兔子還未下降 測量時間過短 測量時間拉長2.圖形相似、位置不同 可能為前置作業時間不

一時間盡量類似

3.摩擦方式、力量不一 摩擦方式、力量不一 同一人摩擦，方式相同4.散熱問題、插入位置差別、鐵粉殘留餘箱內

鐵粉直接到於保麗龍箱(接觸)

將袋子剪開，將溫度計插入袋底，再放入保麗龍盒

5.測量時間不同的溫度差

測量時間不同 因以保麗龍箱裝，差異較小，不已考慮

實驗一-類似研究目的:補充實驗一，目的相同，為嘗試畫出圖形。 研究設備及器材:1.保麗龍盒 1 個(鑚一符合溫度計大小洞) 2.水銀溫度計 1 個3.暖暖包 1 個(即時熱) 4.剪刀 1把5.電子錶 1 個 6.磁鐵 1塊7.袋子 1 個研究過程或方法:1.將溫度計插入保麗龍蓋中。2.撕開包裝，並摩擦一分鐘。3.將暖暖包剪開，插入溫度計。4.放入保麗龍盒中。(注意:插入的溫度計不過長，使蓋子蓋不上)5.每 30秒鐘測量一次，初溫 1 次+40 次 30秒鐘，共 16 次6.將鐵粉收集入袋。(若掉於桌上，以磁鐵包紙，吸住並連紙拆離磁鐵到入袋中)7.器材歸位。研究結果:

討論:1.沒有下降的趨勢。2.與實驗一有較大的不同(圖形與時間的對應)。3.到入 30秒升溫快速。結論:

發現特殊情形 可能原因 解決方法1.沒有下降的趨勢 時間過短 時間再拉長2.圖形與時間對應不同於實驗一

使用不同牌暖暖包、不同變因。

只改變一種變因。3.發現第一次摩擦後，會快速升溫

因摩擦導致快速反應 此為現象，不需解決

實驗一與實驗一-類似之器材照片

實驗二研究目的:再拉長時間，並且使用 5 種不同變因。 研究設備及器材:1.保麗龍盒 2 個(鑚一符合溫度計大小洞) 2.水銀溫度計 2 個3.暖暖包 6 個(兔子 3 個、熊、即時熱、雪人 1 個) 4.剪刀 2把 5.電子錶 1 個6.磁鐵 1塊 7.酒精溫度計 1 個8.橡皮筋 7條 研究過程或方法:1.將溫度計插入保麗龍蓋中。

2.撕開包裝，並摩擦 20秒鐘。3.將暖暖包剪開，插入溫度計。4.放入保麗龍盒中。(注意:插入的溫度計不過長，使蓋子蓋不上)5.每 30秒鐘測量一次，初溫 1 次+60 次 30秒鐘，共 61 次。6.將暖暖包綁緊。(若掉於桌上，可以磁鐵包紙，吸住並連紙拆離磁鐵到掉) 7.器材歸位。研究結果:(丙丁戊己之數據 1 因操作有誤，不已列入)甲:對照組，兔子圖案 乙:應變組，熊圖案丙:應變組，兔子圖案搓 40秒鐘 丁:應變組，兔子圖案磁鐵吸 15秒戊:及時熱 己:雪人

末溫高低比:乙>甲>丁>己>丙>戊討論:1.兩箱子大小不同:甲丙戊為大箱子，乙丁己為小箱子，末溫大小:乙>甲，丁>丙，己>戊。2.與實驗一-類似圖形相似，未有下降趨勢。3.同一時間測量者，始溫類似，第二次測量數據:第一次:甲 26.5℃ 乙 28℃ 第二次:丙 25℃ 丁 25℃ 第三次:戊 23.9℃ 己23.9℃4.與實驗一-類似圖形不同點:實驗一-類似 30秒內瞬間升溫，但與實驗二始溫不同，實驗二始溫即約為 26℃以上，實驗一-類似卻約為 19℃。5.戊與實驗一-類似的暖暖包使用同牌，但溫度相差甚多。6.實驗一與甲、乙為同牌，但溫度差距大結論:討論問題 可能原因 解決方法1.兩箱子大小不同 可能因空間大小不一，

溫度擴散使用同種箱子測量(同大小，容量相同)

2.與實驗一-類似圖形相似

同為不到出鐵粉 此為現象，不需解決3.未有下降趨勢 時間不夠 再拉長時間4.同時間測量者，始溫類似，不同者則不類似

前置作業時間影響 前置作業時間相同5.與實驗一-類似始溫不同

前置作業時間不一 控制前置作業時間並統一且越短越好

6.與實驗一-類似同牌，但溫度相差甚遠

眾多原因，但較可能為摩擦時間不同。

控制變因7.與實驗一同牌，但溫度差距大

眾多原因，但較有可能為有無到出鐵粉(反應面積)

控制變因

實驗二之器材照片(紙為紀錄用)

實驗三研究目的:藉由九小時觀測，了解暖暖包大略圖形的完整走向。研究設備及器材:

1.酒精溫度計 2 個 2.暖暖包 1 個(兔子)3.剪刀 1把研究過程或方法:1.撕開包裝，並摩擦一分鐘。2.將暖暖包剪開，並插入溫度計中。3.每 20 分鐘測量二次(室溫+暖暖包溫度)，量到睡覺為止。4.將暖暖包綁緊。5.器材歸位。研究結果:

討論:1.受室溫影響。2.未有下降趨勢。結論:討論問題 可能原因 解決方法1.受室溫影響 未做好保溫設施 使用保麗龍箱保溫測量2.未有下降趨勢 時間不夠長 測到下降為止

實驗三之器材(少一根溫度計)

實驗四研究目的:測出圖形完整走向(不計時間)研究設備及器材:1.酒精溫度計 3 個 2.暖暖包 3 個(兔子)3.剪刀 3把 4.保麗龍箱 3 個研究過程或方法:1.將溫度計插入保麗龍蓋中。2.撕開包裝，並摩擦一分鐘。3.將暖暖包剪開，插入溫度計。4.放入保麗龍盒中。(注意:插入的溫度計不過長，使蓋子蓋不上)5.從 23:00~9:00，每 2 小時測量一次，之後每 30 分鐘測一次。6.等到下降後，將暖暖包綁緊。7.器材歸位。研究結果:(甲未取得實際數據，乙實驗數據遺失)甲:對照組，搓一分鐘 乙:應變組，搓兩分鐘丙:應變組，搓一分鐘，2 小時後再搓一分鐘(實驗四-2 小時數據 3、實驗四-30

分鐘數據 1、2、8 因操作有誤，不已列入)

討論:1.實驗數據未完整，無法明確了解。2.時間間隔過長(睡覺時間)。3.圖形形狀特殊。結論:討論問題 可能原因 解決方法1.數據未完整 實驗時出問題，使數據

未完整測量認真點

2.時間間隔過長，使圖形較不準確

時間間格過長 縮短間隔3.睡覺時間 需要測量時間過長 縮短時間(不行)、將暖暖

包份量減少(分份) 4.圖形形狀特殊 可能為反應因搖晃而產

生影響盡量少搖晃

為了縮短時間(以避免影響睡眠)而不影響圖形，將暖暖包份量減少(分份)，試試看能否減短反應時間，達到測量不干擾睡眠時間，並縮短測量時間的效果。

實驗四之器材照片實驗五

研究目的:藉由減少暖暖包份量，來觀察是否能減少觀測時間。研究設備及器材:1.酒精溫度計 2 個 2.暖暖包 1 個(兔子)3.剪刀 1把 4.保麗龍箱 2 個(不同於實驗一，較小)5.秤量紙 1張 6.上皿天平 1組7.電子錶 1 個 8.膠帶一綑研究過程或方法:1.裝置天平。(歸零、放置秤量紙……)2.將溫度計插入蓋中3.秤量暖暖包。 4.將暖暖包剪開，將鐵粉到於秤量紙上，量好後到入保麗龍箱。5.將保麗龍盒搖晃 20秒鐘。6.將蓋子連同溫度計蓋上。(注意:插入的溫度計蓋上時插入鐵粉中且不觸碰盒底)

7.將盒子與蓋子接縫出，貼上膠帶(兩對邊各一條，共兩條)。8.每小時測一次，到睡覺為止。9.器材歸位。研究結果:(甲未取得實際數據)甲:對照組，1/4 份 乙:應變組，1/2 份

討論:1.與整包的圖形不易比較，不確定是否類似。2.圖形形狀特殊。3.7 小時便有停止的樣子，反應時間變短。結論:討論問題 可能原因 解決方法1.與整包的圖形不易比較

變因過多 必須在相同變因下進行，才有機會相同

2.圖形形狀特殊 可能為反應因搖晃而產生影響

盡量少搖晃3.反映時間短 質量改變 此為現象，不需解決因推論此實驗只改變其質量，不會產生特殊影響，視為只會改變放熱時間長短(其他改變則視為過小)。正納悶著時間一下子減少許多時，老師提議說:把蓋子打開。一打開，溫度往上飆(推論因用小保麗龍箱裝，導致缺氧)，於是有了實驗五-補充與後來的一種變因。(下為第三項修正)3.反映時間短 質量改變、氧氣量不足，

使得有些鐵粉未反應將箱子定時掀開(不確定掀開時間長短)、使用大箱子(攜帶不方便)、不用箱子(室溫影響)。

實驗五-補充研究目的:使用實驗五之實驗組，藉由掀開蓋子使其充分氧化，再加以追蹤。研究設備及器材:與實驗五相同。研究過程或方法:1.掀開實驗五之實驗組蓋子。2.每一小時測一次，初溫+測到睡覺前，每兩小時掀開一次(在量完後開 1 分鐘)。3.器材歸位。研究結果:乙:應變組，1/2 份

(奇數次為測量後打開 1 分鐘)討論:1.圖形形狀特殊。2.有下降趨勢。3.未明顯受打開影響。結論:=> =>=>=> =>。討論問題 可能原因 解決方法1.圖形形狀特殊 可能為反應因搖晃而產 盡量少搖晃。

生影響2.有下降趨勢 反應到結尾了(不可能為

缺氧，因為每兩小時打開一次)

此為現象，不需解決

3.未明顯受打開影響 打開後過太久，較剩下補充氧氣此功能

打開後短時間內再測幾次可協助了解

實驗五與實驗五-補充之器材照片(少一張秤量紙，一綑膠帶)

實驗六研究目的:藉由減少暖暖包份量，來觀察是否能減少觀測時間。研究設備及器材:1.酒精溫度計 3 個 2.暖暖包 1 個(兔子)3.剪刀 1把 4.保麗龍箱 3 個(不同於實驗一)5.秤量紙 1張 6.電子秤 1組7.電子錶 1 個 8.小不織布袋子 3 個9.膠帶一綑研究過程或方法:

1.裝置電子秤。2.將溫度計插入蓋中3.秤量暖暖包。 4.搓 20秒鐘。5.將暖暖包剪開，將鐵粉到於秤量紙上，量好後到入不織布袋中。6.將不織布放入保麗龍盒中。7.將蓋子連同溫度計蓋上。(注意:插入的溫度計蓋上時插入鐵粉中且不觸碰盒底) 8.將盒子與蓋子接縫出，貼上膠帶(兩對邊各一條，共兩條)。9.每小時測一次，到睡覺為止。10.器材歸位。研究結果:(甲未取得實際數據，乙數據 1、2、7、丙數據 1、2、3、7、因操作有誤，不已列入) 甲:對照組 1/4 份 每一小時開箱(量完隔五秒，開一分鐘)乙:應變組 1/2 份 每一小時開箱(量完隔五秒，開一分鐘)丙:應變組 1/4 份 每兩小時開箱(量完隔五秒，開一分鐘)

(奇數次為丙測量後打開 1 分鐘)討論:1.數據未完整。2.受打開影響，較實驗五、實驗五-補充短(放熱時間)。3.1/2 較 1/4 放熱時間長(始溫類似，末溫相差 8℃以上)，即使 1/4 每兩小時才開一次，影響反應。4.有顯現整個放熱過程。5.圖形形狀特殊。6.1/2 與實驗五、實驗五-補充圖形類似。結論:討論問題 可能原因 解決方法

1.數據未完整 實驗時出問題，使數據未完整

測量認真點2.與實驗五、實驗五-補充圖形對照時間比例不同

可能為實驗五 20 小時後才打開，箱內鐵粉反應在 20 小時內只有一部分，但 1/2、1/4卻是每1(2)小時補充一次

此為現象，不需解決

3. 1/2 較 1/4 放熱時間長，即使 1/4 每兩小時才開一次

可能因質量的關係，加上裝兩鐵粉的袋子大小類似(表面積相似)，氧氣穿透生鏽鐵粉比直接接觸少(1/2月每小時打開一次，則氧氣較多，但是上層鐵鏽會愈來愈多，比 1/4多，影響氧氣與鐵的接觸)

此為現象，不需解決

4.顯現整個放熱過程 因為減少份量，且定時開箱(即使氧氣 1 小時內即消耗完畢)，可顯現類似圖形(推論)

此為現象，不需解決

5.圖形形狀特殊 可能為搖晃、或一些不知道的原因

避免搖晃，並查出原因，解決

6.1/2 與實驗五、實驗五-補充圖形類似

即使同為 1/2 份，但因開箱時間不同，且實驗五、實驗五-補充 20 小時後才開箱，導致比例不同。

此為現象，不需解決

因在測量中發現一打開，溫度即飆升，於是將[直接打開蓋子，不再蓋上，使氧氣充足]列入實驗項目，並從入箱後，每 30秒鐘測一次，直到到頂為止。

實驗六-補充研究目的:藉由加入將整箱打開，使氧氣充足的變因，看其反應。研究設備及器材:1.酒精溫度計 3 個 2.暖暖包 1 個(兔子)3.剪刀 1把 4.保麗龍箱 3 個(不同於實驗一)5.秤量紙 1張 6.電子秤 1組7.電子錶 1 個 8.小不織布袋子 3 個

8.膠帶一綑研究過程或方法:1.裝置電子秤。2.將溫度計插入蓋中。3.秤量暖暖包。4.搓 20秒鐘。5.將暖暖包剪開，將鐵粉到於秤量紙上，量好後到入不織布袋中。6.將不織布放入保麗龍盒中。7.將蓋子連同溫度計蓋上。(注意:插入的溫度計蓋上時插入鐵粉中且不觸碰盒底) 8.將盒子與蓋子接縫出，貼上膠帶(兩對邊各一條，共兩條)。9.每小時測一次，到睡覺為止。10.器材歸位。研究結果:(甲、丙未取得實際數據，乙實驗六-補充(30秒)數據 30、32 因操作有誤，不已列入)甲:對照組 1/3 份 乙:應變組 1/3 份 不蓋蓋子丙:應變組 1/3 份 (重量測量有誤，導致少 11g)

討論:1.圖形(一小時)在 2 的時候瞬間飆升，在 3、4、5 下降，到 6 與末溫類似。2.圖形(一小時)溫度高達 75℃以上，與圖形(30秒)頂溫類似。3.圖形(一小時)與實驗一同到達 70℃以上高溫，其他則沒有(高於 70℃)。4.圖形(一小時)在 6 時已達到末溫，6~9都在 3℃內的空間打轉。5.圖形(30秒)與實驗一-類似圖形類似，但溫度不同。6.圖形(30秒)1~2 間，30秒約飆升 16℃；2~66 間，32 分鐘則快速上升38.5℃。 結論:

討論問題 可能原因 解決方法1.圖形(一小時)在 2 的時候瞬間飆升，3、4、5下降，6 與末溫類似

因暴露在空氣下，快速氧化，導致瞬間升溫，等到反應結束，在快速下降(與室溫熱平衡)

此為現象，不需解決

2.圖形(一小時)溫度與圖形(30秒)頂溫類似

可能因圖形(30秒)到達頂溫，並一直維持，直到反應變慢才下降(鐵粉大部份成氧化鐵)

此為現象，不需解決

3.圖形(一小時)與實驗一同到達 70℃以上高溫，其他則沒有

可能為巧合，因保麗龍箱內有充足的氧氣，且即使反應不如圖形(一小時)劇烈，但圖形(一小時)必須與空氣熱平衡(對流、輻射……)，實驗一鐵粉曝露於空氣下的

此為現象，不需解決

表面積很大(到出鐵粉於保麗龍箱)，導致溫度類似；其他則因接觸面小，才會較低溫

4. 圖形(一小時)在 6 時已達到末溫，6~9都在3℃內的空間打轉

因為反應已接近尾聲 此為現象，不需解決

5.圖形(30秒)與實驗一-類似圖形類似，但溫度不同

可能為巧合 此為現象，不需解決

6.圖形(30秒)1~2 間飆升，2~66則快速上升(較飆升漫)

可能因剛摩擦(加速鐵粉反應)，溫度上升較快

此為現象，不需解決

這時，有人提出問題:[但暖暖包不是手伸進袋裡摸鐵粉，我們這樣測量不太實際吧?]於是，就有了下面這個實驗:

實驗六與實驗六-補充之器材照片(少一張秤量紙，一綑膠帶)

實驗七研究目的:藉由不將溫度計插入暖暖包，測得與實際使用類似溫度圖形。研究設備及器材:1.酒精溫度計 1 個 2.暖暖包 1 個(兔子)3.膠帶一綑研究過程或方法:1.撕開包裝，並摩擦一分鐘。2.將暖暖包捲成漏斗狀，包住溫度計。 3.用膠帶綑起來(將暖暖包捆住，不讓溫度計掉落)4.每小時測一次，到睡覺為止。5.將暖暖包綁緊。6.器材歸位。研究結果:

實驗七

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12( )時間 一小時

()

溫度

攝氏

兔子圖案

討論:1.受室溫、手熱平衡影響。2.圖形溫度從 5 開始，便在 31℃左右。3.1~2向上升，一小時約 13℃左右。4.溫度計會滑動。結論:1.受室溫影響=>類似實際使用，但必須測量室溫。2.受手熱平衡影響=>使用傳導差物質黏在暖暖包邊上，手不直接碰暖暖包。未有下降趨勢=>時間不夠長=>測到下降為止。3. 1~2向上升，一小時約 13℃左右=>速度並不快。4.溫度計會滑動=>包緊，並將溫度計與暖暖包邊用膠帶黏住。

研究結果:(請參考另一附件檔-相關數據與圖檔)

討論:

優缺比較&情形集合器材 優點 缺點

容器1.保麗龍箱(大) 含氧夠、可保溫 較不像實際使用2.保麗龍箱(小) 保溫效果最好 含氧低、較不像實際使用3.不織布袋 含氧夠、像實際使用 保溫效果差含氧:3>1>2 保:3>2>1 實:3>1≒2

鐵粉狀態1.直接倒入保麗龍箱(大)

保溫、含氧夠 會造成保麗龍箱內殘流鐵粉。

2.直接倒入保麗龍箱(小)

保溫 使盒子內部被繡鐵黏住、缺氧。

3.到入不織布袋中，在放入保麗龍箱(大)

方便處理、保溫、含氧夠4.到入不織布袋中，在放入保麗龍箱(小)

方便處理、保溫 缺氧5.到入不織布袋中，在放入保麗龍箱(小)，不蓋蓋子

方便處理、含氧夠 不保溫

含氧:5>3≒1>4≒2 保溫:2≒4>1≒3>5

情形集合實驗 情形直接倒入保麗龍箱(大) 頂溫較高直接倒入保麗龍箱(小) 缺氧、導致反應一下就結束(頂溫普

通，升、降溫速度普通)到入不織布袋中，在放入保麗龍箱(大)

頂溫普通，升、降溫速度普通到入不織布袋中，在放入保麗龍箱(小)

缺氧、導致反應一下就結束(頂溫普通，升、降溫速度普通)

到入不織布袋中，在放入保麗龍箱 頂溫最高，升降溫快速(升>降)

(小)，不蓋蓋子到入不織布袋中，在放入保麗龍箱(小)，每 1(2)小時打開一次。

頂溫普通，升、降溫速度普通

應改進實驗錯誤問題 答案 問題 答案實驗紀錄遺失或漏計

實驗時認真點 搖晃實驗容器 避免搖晃前置作業未做好 訂下步驟與秒數 摩擦次數未定 同人同方式時間

一樣長照片內容不齊 實驗前拍照並比

對支持暖暖包成份有鐵的證據:1.磁鐵可吸的起來。2.在使用後，暖暖包成紅色硬塊(實驗後剩下之暖暖包殘骸)。

未來實驗方針: 未來將把實驗方向改成實際(試驗七的延伸)，製作一種客觀的實驗，測量室溫與袋溫，並繪出圖形；得取圖形後，加入眾多變因，並收集各種易取得之放熱實驗，從中歸納，並選出各具特色之實驗，並逐漸發展至環保的方向。結論: 從這次活動中，我們學習到即使事前規劃再好，實驗中還是頻頻出錯，唯有從錯誤中學習，才能避免一部分的實驗失誤，越準確，便越能從中發現問題，做出更完美的暖暖包。