使い捨てカイロの外袋を開けると、しばらくして温かくなります。「振ったり、もんだりしたから、摩擦で熱が出た」と思っていませんか。
鉄粉を使った使い捨てカイロでは、鉄が空気中の酸素と反応するときに出る熱を利用しています。袋を開ける意味は、まず空気に触れさせることです。
酸素は反応する材料、熱は反応によって生じるものです。外袋と中袋を区別し、水などの成分はこの模式図では省略しています。
外袋を開けたとき、何が入ってくる？
未開封のカイロでは、外袋が空気との接触を抑えています。開封すると、中袋を通して酸素が供給され、鉄の酸化による発熱が進みます。
ここで「空気が温かいから、カイロが温まる」と読み替えないでください。空気中の酸素は、鉄と反応する材料です。熱い空気を袋に詰めているわけではありません。
| 見ていること | 区別したいこと |
|---|---|
| 外袋を開ける | 酸素が供給される |
| 鉄が酸素と反応する | その反応で熱が出る |
| 手で触って温かい | 発熱と、周囲へ逃げる熱の両方が関わる |
火が見えなくても、熱は出る
鉄を燃やす実験では、光や火花が目立ちます。一方、カイロは炎を上げずに温かくなります。
見え方が違っても、鉄が酸素と反応するときに熱が出る点は共通しています。鉄粉、水、塩類、活性炭、保水剤などを組み合わせ、反応が進む条件を工夫しているのです。
「熱が出るなら、必ず炎が見える」は成り立ちません。見える変化だけでなく、何と何が反応しているかを考えましょう。
温かくないなら、反応していない？
カイロがぬるく感じられるときも、原因は一つとは限りません。
酸素の供給が少なく、発熱が弱くなっている場合もあります。一方で、周囲へ逃げる熱が多く、温度が上がりにくい場合もあります。
「温度が低い」だけを見て、反応が完全に止まったとは断定しません。熱を出す側と、熱が逃げる側を分けてください。
「鉄のかたまり」ではなく、鉄粉を使う理由
カイロの原材料に書かれているのは、鉄粉です。同じ重さの鉄でも、細かい粒にすると、かたまりのままより空気に触れる表面が広くなります。反応する材料が接触できる場所を増やしているのです。
ただし、「細かくすると、鉄の量まで増える」ではありません。大きなパンを小さく切っても、パンの重さが増えないのと同じです。変わるのは、外側に現れる面の広さです。
また、鉄粉だけ入れておけば、製品と同じように温まるわけでもありません。水や塩類は反応が進む条件に関わり、保水剤は水分を保つために使われます。原材料の名前を暗記する前に、「反応するもの」と「反応が進みやすい環境をつくるもの」を分けましょう。成分の配合や中袋の通気性も、温まり方や持続時間に関わります。
外袋と中袋を、同じ袋だと思わない
使うときに開ける外袋と、鉄粉などを包んでいる中袋では、役割が違います。外袋は、保管中に酸素が入って反応が進むことを抑えます。中袋は、内容物を包みながら、使用中に必要な空気を通します。
図を読むときは、酸素の矢印がどの袋を通るのかを確かめてください。「袋に入っているのに、どうして空気と反応できるの？」という疑問は、二つの袋を描き分けると整理できます。
なお、「酸素を入れるなら、中袋を破った方がよい」とは考えません。製品は中袋の状態も含めて設計されています。貼るタイプには、もむと粉が片寄るため、もまないよう案内されているものがあります。仕組みの説明と、製品を改造してよいかどうかは別の話です。実際には製品表示に従って使用してください。
例題1：袋を開けると、何が変わる？
鉄粉を使った使い捨てカイロを、同じ室内に二つ置きました。Aは外袋を開け、Bは外袋を閉じたままです。どちらも振ったりもんだりしていません。しばらくするとAだけが温かくなりました。この結果を、酸素という言葉を使って説明してください。
解答例： Aは外袋を開けたことで空気中の酸素が供給され、鉄との反応によって熱が出た。Bは外袋によって酸素の供給が抑えられている。
これは仕組みを考えるための例題で、実測データではありません。Aをもんでいない点にも注目してください。「もんだから温まった」という説明では、この結果を説明できません。一方、この結果だけから、鉄粉の量や最高温度、何時間使えるかまでは分かりません。観察から言えることを、勝手に広げないようにしましょう。
例題2：温度が変わらなければ、発熱はゼロ？
使用中のカイロの温度が、ある時間帯ではほぼ一定でした。「温度が上がっていないので、もう熱は出ていない」という説明は、正しいと言えますか。
答え：その情報だけでは言えません。 反応で生じる熱と、周囲へ逃げる熱がつり合っていれば、熱が出ていても温度はほぼ一定になります。
例えば、穴の開いた容器に水を注ぎ、注ぐ量と出る量が同じなら、水位は変わりません。それでも水は出入りしています。この例と同じように、温度が一定という結果と、熱の出入りがないという説明を区別します。水位と温度が同じ物理量という意味ではなく、「変化が見えないときにも、出入りがありうる」という考え方の例です。
カイロの問題では、外から入る酸素、中で進む反応、そこから出る熱、周囲へ逃げる熱を順番に追いましょう。「温かい」「温かくない」という結果を見ただけで、途中の仕組みまで決めつけないことが大切です。