自然大發現的部落格

臺北市第47屆中小學科學展覽會

作品說明書封面

科別 : 物理

組別 : 國小組

作品名稱 : 雙保大比拼

關鍵詞 : 保溫、保冷、對流

編號 :

摘要

媽媽每天早上幫我準備熱熱的小點心，到下午時都涼掉了，變得很不好吃。因此我們進行一系列實驗探討，期望找出最方便且省錢的保溫及保冷方法。

查尋文獻資料得知熱的傳播方式有三種：傳導、對流、輻射。物體材質不同，對熱的傳導能力亦不同。因此我們就測試不同的保溫材料，發現保麗龍盒的材料熱傳導慢，因此保溫固體及液體食物效果最好；保麗龍盒內空間容量越小，空氣較少，可以減少熱空氣及冷空氣的散失，當然保溫及保冷效果就越好。保麗龍盒保溫實驗設計中暖暖包在各時間點上都是保溫最佳的填塞材料；若以省錢及環保的角度來看保溫在0-6小時間以報紙保溫效果最好；若保溫的時間拉長到6-8小時間是石頭保溫效果最好且穩定，但如果將攜帶的便利性考慮進來，報紙保溫效果僅低於石頭一點點，是小朋友保溫的最佳的選擇。保冷實驗設計中若以環保可重複使用及攜帶方便的角度來看：醬糊冰、冰敷袋在短時間及長時間保冷都維持在0度及-1度間，因此是小朋友保冷的較佳選擇，若想在下午吃到變成冰棒的飲料，則可以用冰塊+鹽巴當保冷材料。後續我們期望能改造保麗龍盒形狀或在保麗龍盒外加不同包材或增加更多不同種類的填塞材料，研究出既環保、方便攜帶又保溫兼保冷的雙效保麗龍盒。

壹、研究動機 :

   媽媽每天都會幫我準備小點心，但是，每到下午，小點心都會冷冷的，變得不好吃。所以我找了幾位好朋友，想要找到一個可以讓小點心保溫最久，甚至讓冰冰的冷飲也能在下午保持冰冰的溫度。於是我們決定要做幾個實驗，研究出最適合保溫及保冰的物品，不僅讓我能吃到美味點心，更能讓我們了解到生活中的科學小常識，真是一舉兩得!

   在南一版六下自然與生活科技課本中的「熱和我們的生活」課程內容提到熱的傳播方式有三種：傳導、對流、輻射。傳導：熱藉由物質，由高溫傳向低溫。對流：氣體與液體藉著熱上升、冷下降的對流方式，將熱傳播。輻射：不必藉任何物質傳遞，熱即可傳播。表面粗糙且近黑色的物體，吸熱效率高；表面平滑且近白色的物體，吸熱效率低。物體材質不同，對熱的傳導能力亦不同。金屬的傳導能力強，非金屬者較差。因此我們就採用不同保溫材料，設計一連串實驗，期待將媽媽愛心點心提高至最佳保溫效果；及更進一步實驗保冷材料讓媽媽愛心冷飲到下午仍有冰冰涼涼的口感。

貳、研究目地 :

一、研究哪一種材料可以讓固體食物的溫度下降最慢。

二、研究哪一種材料可以讓液體食物的溫度下降最慢。

三、研究三個不同容量的保麗龍盒，哪一個可以使固體食物的溫度下降最慢。  

四、研究三個不同容量的保麗龍盒，哪一個可以使液體食物的溫度下降最慢。

五、設計保麗龍盒內增添不同填塞材料讓食物保溫的簡易方法。

六、研究保麗龍盒內增添哪一種填塞材料可以讓水的溫度下降最慢。

七、設計保麗龍盒內增裝不同填塞材料讓冰水保冷的簡易方法。

八、研究保麗龍盒內增添哪一種填塞材料可以讓冰水的溫度上升最慢。

參、研究器材及設備 :

肆、研究過程或方法 :

以布、保麗龍盒、塑膠袋及鋁箔紙4種不同包裝材料為探討對象，希望找出最佳保溫饅頭的材料。

一、研究哪一種材料可以讓固體食物的溫度下降最慢

   (一)實驗步驟

(二)實驗結果

表1 四種保溫材料保溫饅頭溫度變化表

圖1 四種保溫材料保溫饅頭溫度折線變化圖

(三)發現與實驗討論

   1、一小時後溫度下降最少的是毛巾和保麗龍盒；溫度下降最多的是塑膠袋。

   2、二小時後溫度下降最少的是保麗龍盒；溫度下降最多的是塑膠袋。

   3、保溫固體食物的包材中保麗龍盒的保溫效果最好；塑膠袋的保溫效果最不好。

二、研究哪一種材料可以讓液體食物的溫度下降最慢

   以布、保麗龍盒、塑膠袋及鋁箔紙4種不同包裝材料為探討對象，希望找出最佳保溫水的材料。

(一)實驗步驟

(二)實驗結果

表2 四種包裝材料保溫水溫度變化表

圖2 四種包裝材料保溫水溫度折線變化圖

(三)發現與實驗討論

   1、一小時後溫度下降最少的是保麗龍盒；溫度下降最多的是塑膠袋。

   2、二小時後溫度下降最少的是保麗龍盒；溫度下降最多的是塑膠袋和鋁箔。

   3、保溫液體食物的包材中保麗龍盒的保溫效果最好；塑膠袋和鋁箔紙的保溫效果最不好。

三、研究二個不同的保麗龍盒，哪一個可以使固體食物的溫度下降最慢

   由實驗一可知保麗龍盒是保溫饅頭的最佳材料，但是不同容量的保麗龍盒是否也會影響保溫效果呢？因此我們找了二種不同容量的保麗龍盒來設計實驗。

   A保麗龍盒：長 22.5公分 ；寬16公分 ；高16公分 (容量: 5760立方公分 )

   B保麗龍盒：長20公分 ；寬14公分 ；高10公分 (容量: 2800立方公分 )  

(一)實驗步驟

(二)實驗結果

                   表3二種不同容量保麗龍盒保溫饅頭溫度變化表

(三)發現與實驗討論

   1、一小時後溫度下降最少的是容量較小的B保麗龍盒；溫度下降最多的是容量較大的A保麗龍盒。

   2、二小時後溫度下降最少的是容量較小的B保麗龍盒；溫度下降最多的是容量較大的A保麗龍盒。

   3、一小時後A和B容器相差1度；但二小時後A和B容器只相差0.5度。

   4、保溫固體食物的包材中容量小的保麗龍盒比容量大的保麗龍盒保溫效果較好。

四、研究兩個不同的保麗龍，哪一個可以使液體食物的溫度下降最慢

   由實驗二可知保麗龍盒是保溫水的最佳材料，但是不同容量的保麗龍盒是否也會影響保溫效果呢？因此我們找了不同容量的保麗龍盒來設計實驗。

(一)實驗步驟

(二)研究結果

表4 二種不同容量保麗龍盒保溫水溫度變化表

(三)發現與實驗討論

1、一小時後溫度下降最少的是容量較小的B保麗龍盒；溫度下降最多的是容量較大的A保麗龍盒。

2、二小時後溫度下降最少的是容量較小的B保麗龍盒；溫度下降最多的是容量較大的A保麗龍盒

3、一小時後A和B容器相差6度；但二小時後A和B容器只相差3度。

4、保溫液體食物的包材中容量小的保麗龍盒比容量大的保麗龍盒保溫效果較好。

五、設計保麗龍盒內增添不同填塞材料讓食物保溫的簡易方法。

   我們期望後續能以保麗龍盒為基礎下再加以改良設計，能找出讓小朋友的點心降溫速度不只更慢，甚至能提高點心溫度的保溫工具，因此設計了五張對水有保溫效果的設計圖。

六、研究保麗龍盒內增添哪一種填塞材料可以讓水的溫度下降最慢

   由實驗四發現以保麗龍盒當保溫包材，容量小和容量大在液體食物的溫度差比固體食物中較明顯，因此本實驗將以液體食物「水」為控制變因。

(一)實驗步驟

   1、取B保麗龍盒：長20公分 ；寬14公分 ；高10公分 (容量: 2800立方公分)為實驗設計的控制變因。

   2、小石頭、報紙、暖暖包、橘子皮及毛巾等5種不同材料都以上下左右包覆整個便當盒為原則；而熱敷袋內裝400cc滾水放便當盒上，蓋上保麗龍盒蓋並以二本小牛頓書壓住避免熱量由缝隙中散失。

(二)研究結果

表5 每一小時定時下六種不同保溫材料水溫變化表

         註：(1)6種材料中溫度第一高；(2)6種材料中溫度第二高。

圖5 每一小時定時下六種不同保溫材料水溫變化長條圖

1、暖暖包在各個時間點都是6種材料中溫度最高，保溫效果最好。

2、上午時間熱敷袋溫度高於石頭溫度；下午時石頭溫度超越過熱敷袋溫度。

3、毛巾自13:10後的各時間點上皆是6種材料中溫度最低，保溫效果最差。

表6 累積時間內六種不同保溫材料在的水溫變化表

               註：(1)6種材料中溫度第一高；(2)6種材料中溫度第二高。

圖6 累積時間內六種不同保溫材料在的水溫變化表

1、前2小時報紙溫度下降最慢，保溫效果最好；暖暖包、熱敷袋溫度下降速度差不多；保溫效果其次；石頭和橘子皮溫度下降最快，保溫效果最差。

2、累積3-6小時以後暖暖包溫度下降速度最慢，保溫效果最好；報紙溫度下降速度比暖暖包快，保溫效果其次；熱敷袋溫度下降速度趨快，保溫效果開始變不好。

3、累積7-8小時暖暖包溫度下降最慢，石頭其次，二種材料長時間保溫效果較好，溫度下降第三慢是報紙；毛巾及熱敷袋下降速度比其它材料快，保溫效果最差。

         圖表7 區段一小時內六種不同保溫材料水溫變化表

1、0 -2小時間6組材料皆是各區段時間中降溫速度最快，尤其是石頭及橘子皮，保溫效果最差；而報紙降溫速度最慢，保溫效果最好。

2、2-4小時石頭降溫速度最慢，保溫效果最好，橘子皮降溫速度比石頭快一點，保溫效果其次。

3、6-8小時6種材料溫度下降皆很穩定，尤其是石頭降溫幅度最少且溫度最穩定，報紙在6-8小時降溫幅度比石頭多0.5度，保溫效果其次。

4、7-8小時暖暖包降溫最快，保溫效果最差。

七、設計保麗龍盒內增裝不同填塞材料讓水保冷的簡易方法

   我們期望後續能以保麗龍盒為基礎下再加以改良設計，期待能找出讓小朋友的冷飲點心到下午依然能保冷的保冷材料，因此以前述保溫的概念防止冷空氣與保麗龍盒外旳高溫空氣對流，畫了五張保冷效果的設計圖。

八、研究保麗龍盒內增添哪一種填塞材料可以讓水的溫度上升最慢

   由實驗四發現以保麗龍盒當保溫包材，容量小和容量大在液體食物的溫度差比固體食物中較明顯，因此本實驗將以液體食物「水」為控制變因。

(一)實驗步驟

   1、B保麗龍盒：長20公分 ；寬14公分 ；高10公分 (容量: 2800立方公分)及燒杯裝400cc的水放入冷藏室一天為作為實驗設計的控制變因。

   2、小石頭、報紙、及冰塊+鹽、冰塊、冰敷袋及醬糊冰等6種材料皆以左右圍繞便當盒四周為原則；當蓋上保麗龍盒蓋並以二本小牛頓書壓住，避免冷空氣由缝隙中散失。

   3、醬糊冰是將醬糊放入透明塑膠袋中放入冷凍室冰凍。

   4、冰塊+鹽的材料為冰塊：鹽=3：1，先將冰塊放入便當盒四周再撒下鹽。

   5、冰塊+鹽及冰塊二組材料中的冰塊皆相等。

(二)研究結果

表8 每一小時定時下六種不同保冷材料水溫變化表

         註：(1)6種材料中溫度第一高；(2)6種材料中溫度第二高。

圖5 每一小時定時下六種不同保冷材料水溫度變化長條圖

1、冰敷袋有8個時間點都在零度以下，保冷效果最好；冰塊+鹽巴有6個時間點在零度以下，保冷效果其次；醬糊冰穩定維持在0度；而報紙保冷效果最差。

2、冰敷袋、醬糊冰和冰塊+鹽巴從13:10至16:10溫度數據都維持穩定，尤其冰敷袋及冰塊加鹽，數據都在零度以下。

3、同樣是冰塊，有加鹽巴的溫度比沒加鹽巴溫度低，保冷效果更好。

4、觀察發現實驗過程中保麗龍盒內裝醬糊冰、冰敷袋和冰塊+鹽巴都會讓便當盒中的水結冰，而且都從水表面結冰；到下午時冰敷袋讓便當盒底部有一層薄冰，而冰塊+鹽巴不只讓水表面有冰竟然到下午時整個便當盒內底部約2/3的水都結冰了。

   便當盒內水結冰比例：冰塊+鹽巴＞冰敷袋＞醬糊冰

表9 六種不同保冷材料累積時間保冷溫度變化表

1、前二小時冰塊+鹽巴及冰敷袋溫度不升反而降，保冷效果極佳。

2、醬糊冰1-8小時皆穩定維持在0度不變，冰塊1-6小時穩定維持在0度，但7-8小時反而降溫了。

3、1-5小時間報紙和石頭皆升溫很快，但5小時後石頭溫度維持在相差13度，相度穩定。

表10 區段一小時內六種不同保冷材料水溫變化表

1、0-1小時報紙及石頭升溫最快；醬糊冰和冰塊溫度穩持不變；冰敷袋及冰塊+鹽巴每小時反而降溫-2度。

2、0-3小時冰敷袋二度降溫，保冷效果極佳，醬糊冰、冰塊溫度皆維持不變；報紙及石頭持續升溫，保冷效果極差。

3、5-8小時石頭、冰敷袋、醬糊冰、冰塊+鹽巴溫度皆穩持不變；報紙每小時升溫1度；6-8小時冰塊每小時反而降溫1度。

伍、研究結果

1、保溫固體食物的包材中保麗龍的保溫效果最好；塑膠袋的保溫效果最不好。

2、保溫液體食物的包材中保麗龍的保溫效果最好；塑膠袋和鋁箔紙的保溫效果最不好。

3、保溫液體食物的包材中容量小的保麗龍盒比容量大的保麗龍盒保溫效果較好。

4、保溫液體食物的包材中容量小的保麗龍盒比容量大的保麗龍盒保溫效果較好。

5、保溫實驗設計中暖暖包當保麗龍盒填塞物保溫效果最好，但費用高且無法重複使用。

6、保溫實驗設計中若以省錢及環保的角度來看保溫0-2小時內報紙保溫效果最好；保溫在3-6小時間仍是報紙保溫效果最好；若保溫的時間拉長到7-8小時間是石頭保溫效果最好且穩定，但如果將攜帶的便利性考慮進來，報紙保溫效果僅低於石頭一點點，是小朋友保溫材料的最佳的選擇。

7、保冷實驗設計中冰敷袋及冰塊+鹽巴到下午皆會讓水降溫到-1度，但冰塊+鹽巴會讓便當盒內的水結冰的範圍比例較大。

7、保冷實驗設計中若以可重複使用及攜帶方便的角度來看：醬糊冰、冰敷袋短時間及長時間保冷都維持在0度及-1度間，因此是小朋友保冷的較佳選擇。

8、報紙保溫效果較佳，保冷效果較差；石頭在保溫及保冷的實驗中在經過長時間(4小時以後) 後，溫度會趨於穩定而持久。

陸、討論與發現

1、實驗做到一半時，發現鋁箔紙破掉有漏出一段沒完全包覆好，導致實驗有誤差，因此我們又重做一次實驗，確認每一項包材都有完整將便當盒包好，如此可以降低實驗數据的誤差。

2、在固體食物及液體食物中都發現保麗龍盒的保溫效果最佳，可能是因為保麗龍導熱效果差，如此便能降低傳導所造成的熱量散失，也可能厚度較其它材質厚將外面空氣隔絶，降低熱對流，因此後續的實驗設計將以不同容量的保麗龍盒來做更進一步的探討。

3、在設計實驗時，原本要找不同容量的保麗龍盒五個，但是材料取得遇到困難，因此我們改成只找二個容量不同的保麗龍盒，又多增加液體食物實驗來和固體食物實驗結果互相驗正，發現兩個實驗都證明容量較小的保麗龍盒保溫效果比較好，可能是空間越小空氣較少，降低空氣對流，熱比較不會散失，溫度下降就會較慢。

4、在設計實驗時一直想找隨手可得的癈物當的填塞材料，也在市場上找過甘蔗渣，但過一天就產生有酸味；台灣冬季盛產橘子因此就收集橘子皮當填充材料，並在空氣中風乾，但發現一週後有一部分的橘子皮也發霉，因此台灣濕度高的地區不適宜以盛產的食物為填塞材料。

5、保溫的實驗設計有用黑布吸太陽熱及鏡子反射太陽光，但今年十二月至二月太陽光都很微弱，因此只好改變設計往廢物再利用的角度想填塞材料，因此以橘子皮及毛巾取代。

6、從實驗過程中發現保麗龍盒內裝醬糊冰、冰敷袋和冰塊+鹽巴都會讓便當盒中的水結冰，而且都從水表面結冰；如果溫度達-1度時便當盒底部也會有一層薄冰。找尋網路資料發現水(H2O)因氫鍵而在從冰點以上的開始產生的不尋常膨脹，水面的溫度會低於水底的溫度，於是水面上的水會逐漸往下沉，而水面下較高溫的水，因為密度較小，而逐漸往上，形成水的上下對流，於是較低溫的水便只好浮在水面上，靠著傳導的方式傳遞熱量 (降溫)；當溫度低於 0度時，開始由水面逐漸往水面下結冰。

7、冰塊+鹽巴到下午時會讓便當盒中的水2/3結冰。由文獻中發現，當水要結冰的時候，水分子之間會產生氫鍵，而形成規律的晶體，所以如果水中溶解有其他的物質的話，會妨礙晶體的形成，於是使水的凝固點下降；冰塊表面有一層薄薄的水，如果灑上食鹽，鹽巴便可以溶解在其中，於是混合後的鹽水凝固點會下降。另外，鹽溶化還會吸收熱量，使溫度下降，原本已凍成固體的冰，冰塊加鹽以後會重新溶化，再逐漸被冷凍到新的冰點，就和冰塊黏成一體了。

柒、結論

      實驗過程中發現保麗龍盒保溫固體及液體食物效果都是最好的；其次是毛巾；而保麗龍盒內空間容量越小，空氣較少，降低空氣對流，熱比較不會散失，保溫效果越好。保麗龍盒保溫實驗設計中暖暖包在各時間點上都是保溫最佳的填塞材料；若以省錢及環保的角度來看保溫在0-6小時間以報紙保溫效果最好；若保溫的時間拉長到6-8小時間是石頭保溫效果最好且穩定，但如果將攜帶的便利性考慮進來，報紙保溫效果僅低於石頭一點點，是小朋友保溫的最佳的選擇。保冷實驗設計中若以可重複使用及攜帶方便的角度來看：醬糊冰、冰敷袋在短時間及長時間保冷都維持在0度及-1度間，因此是小朋友保冷的較佳選擇，若想在下午吃到變成冰棒的飲料，則可以用冰塊+鹽巴當保冷材料。後續我們希望能改造保麗龍盒形狀或在保麗龍盒外加不同包材或增加更多不同填塞材料，研究出既環保、方便攜帶又保溫兼保冷的保溫盒。

捌、參考資料及其他

一、熱的傳播(2011)。國小自然與生活科技第七冊第四單元。南一出版社，台南市。

二、熱對物質的影響(2011)。國小自然與生活科技第七冊第三單元。翰林出版社，台南市。

三、陳偉民(1995年10月1日)。冰庫脫險。智多星出擊，幼獅出版社。

四、熱的傳遞。2012年11月12日，取自： http://web.cjjh.tc.edu.tw/~lamp/course/transfer_explain.htm

五、鄭卉倢、葉玟霈。如何能使水保溫更久。2013年12月1日，取自：   http://mollystyle.myweb.hinet.net/mail587/html/faq.html

六、黃福坤。日常生活中的物理專文。2014年2月20日，取自：http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/index.php?viewcat=4#cat4