童年回忆变网红爆款，“掰掰热”里的液体究竟是什么？

你小时候玩过这样的暖手宝吗？

图源：淘宝

轻轻掰动里面的小铁片，溶液便迅速结晶，并开始发热发烫。使用完放凉了也没关系，放在热水里加热至再次融化，又可以循环使用了！这里面到底是什么神奇液体呢？

“掰掰热”里是什么溶液？

我们都有这样的生活经验：在一定的温度下，我们往一杯水里加糖或者盐，超过一定量，就不溶解了，我们把这种溶液称为“饱和溶液”。此时能溶解的物质的最大量，我们称为“溶解度”。溶解度一般随着温度的升高而增大，比方说，这杯水里的糖已经溶解不掉了，但是加热后可以继续溶解。

几种物质的溶解度曲线 | 参考文献[1]

而过饱和状态可以用下图来演示，AB线为“溶解度曲线”（饱和曲线）。AB线以下为稳定区，无结晶析出。CD线是达到一定饱和后可自发地析出晶体的浓度曲线，称为“超溶解度曲线”。AB线与CD线大致平行，两线之间为介稳区，在此区域内不会自发产生晶核，一旦受到某种刺激，如震动、摩擦、搅拌和加入晶粒，均会破坏溶液的过饱和状态，促使溶液析出结晶，直至达到饱和状态。

过饱和度与结晶的关系 | 参考文献[2]

暖手宝里的液体，其实是醋酸钠过饱和溶液。醋酸钠在水中的溶解度很大，100毫升60℃的水能溶解130g的醋酸钠。当温度降低时，水对醋酸钠的溶解度降低，溶液变得“过饱和”，这时理应有部分醋酸钠从水中结晶析出，但是晶体结晶需要有结晶中心（晶核），而目前的溶液浓度还不至于自发产生晶核，因此溶液处在一个不稳定的“过饱和”状态。

此时，我们只要小小地“推”它一把——轻捏铁片掰一下，铁片的弯曲引发微小的压力变化和摩擦，这可以创造出小的晶体形核点，导致附近的醋酸钠快速结晶，晶体作为新的成核中心不断扩散，很快整个暖手宝都变成了固体，同时放出大量的热。而重新加热时，由于醋酸钠溶解度增加，溶液又重新回到饱和状态，这样就可以循环使用了。

“热冰”实验

宇航员王亚平曾在天宫实验中做过一个 “点水成冰”的实验，实验中所用到的溶液就是醋酸钠过饱和溶液。

只见王亚平将溶液从袋子中挤出来，溶液在失重环境下，因表面张力的作用形成了一个饱满均匀的飘浮的液体小球。接着，她用一根沾有晶核的棉棒触碰了这个小球，液体球迅速结晶，看起来就像一个冰球！但其实，结晶的过程中释放出了大量的热量，所以这个“冰球”其实是个“热球”。

图源：央视新闻

这个实验一般被称为“热冰”实验。笔者在实验室也尝试了一下，可以看出一切都发生得非常迅速，产生的晶体并非如雪花的六芒星形状，而是如松针状向四周辐射。

图源：作者自制

相变储热材料

在物理学中，物质有固相、液相、气相，物质从一种相转变为另一种相的过程称为“相变”。自然界中的物质，在一定条件下会发生相变，例如水可以由固相转变为液相，由液相转变为气相，或由固相直接转变为气相。

图源：摄图网

在相变的过程中，同时伴随有能量的释放或吸收，而温度基本保持不变（例如，冰水混合物的温度一直是零度），这种在相变时吸收或者释放的热量，我们叫做“潜热”。相变潜热可以很大，比如，将零度的冰融化成零度的水，这个过程需要吸收336KJ/Kg的热量，而这些热量足以将零度的水加热至80℃。

那这些热量能不能为我们所用呢？就像充电宝、蓄电池可以把电能储存起来一样，“掰掰热”暖手宝则是把醋酸钠相变时的热能储存起来，在合适的时候为我们所用。像醋酸钠这种材料，我们就称之为 “相变储热材料”。

相变储热材料的一个很好的应用案例是在航天器上。我们知道，航天器常常需要面临极热到极冷的温度波动，然而，由于身处太空的真空环境，我们无法通过对流来散热，这种情况下，利用相变材料热控装置来进行热控是比较理想的。

1971年7月26日发射的阿波罗15飞船，首次把一辆月球车(LRV)送上月球。月球车上使用了三套相变材料热控装置，其中一个装置是通过导热带将相变材料与信号处理器(SPU)、蓄电池组和辐射器连接。月球车每次出动执行任务期间，信号处理器所产生的热被相变材料熔化吸收，月球车返回后，开启辐射器上的百叶窗向太空排散掉相变材料储存的热量，相变材料固化，为下一次出动执行任务做好准备[2]。月球车上使用的是一种石蜡族的有机相变材料，可供选择的熔点范围为-5~66℃。

月球车 | 参考文献[3]

如果建筑领域也能用上这项技术可就太好了，这样我们不就可以住在夏天不热，冬天也不冷的房子里了？在天津大学杨涛课题组的一项研究中，随着外界温度发生变化，普通墙体的室内温度会发生剧烈变化，而相变墙体的室内温度变化相对稳定，其中最高温度约为26℃（这是因为，相变时温度是不发生变化的）。当外界温度比较低或比较高时，相变墙体的室内温度比普通墙体的室内温度更加稳定，不仅令人体感到舒适，还可以降低空调或者供暖设备的能耗。

相变墙体与普通墙体的温度调节对比 | 参考文献[4]

相变储热材料在建筑领域也有了实际的应用。北京冬奥会和冬残奥会期间，利用纳米复合相变储能材料在张家口赛区山地转播中心建成了模块化相变储热——谷电清洁供暖示范工程，解决了在极寒天气及复杂山地结构条件下，以清洁能源为建筑供暖的难题。该工程总供暖面积为8000平方米，圆满完成了冬奥会期间为山地转播中心供暖的保障任务。

冬奥会和冬残奥会使用的相变储能箱 | 参考文献[5]

近年来，全球变暖的现实正不断地向世界各国敲响警钟。如何降低能耗，更加经济合理地利用能源？储能技术被视为一种合理、高效、清洁利用能源的重要手段，而作为其核心的相变储能材料，也受到业界的高度重视。相变的温度是否可以调节？怎样让相变材料既好用，又不会破坏环境？这些都是我们在未来需要解决的问题。

参考文献

[1] 王华，王胜林，饶文涛. 高性能复合相变蓄热材料的制备与蓄热燃烧技术，冶金工业出版社，2006;

[2]侯增祺,胡金刚. 航天器热控制技术：原理及其应用, 中国科学技术出版社, 2007;

[3] Apollo 15 Lunar Roving Vehicle | The Planetary Society，网址：https://www.planetary.org/space-images/apollo-15-lunar-roving-vehicle

[4] YANG T.The application of nanocapsule phase change material in theconstruction of civil engineering[J].Arabian Joumal of Geosciences,2021,14(11) do10.1007/s12517-021-07296-9;

[5] 赵合瑾,万贤,路佳慧等.相变储能材料在建筑领域的发展和应用[J].中国塑料,2023,37(11):46-61.DOI:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.006;

作者：邵伟，化学国家级实验教学中心（中国科学技术大学）教师

策划&编辑：rain

鸣谢：清华大学化学系博士、化学工程师 孙亚飞，中国科学院上海高等研究院博士、上海青瑞食品科技有限公司研发主管 纪明华为本文提供科学指导。

题图图源：JD.com

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