Vi siete appena stirati un muscolo e l'infiammazione è insopportabile.
Sperate di avere qualcosa di ghiacciato per alleviare il dolore,
ma la borsa del ghiaccio, avreste dovuto congelarla ore prima.
Per fortuna, c'è un'altra soluzione.
Il ghiaccio istantaneo può restare a temperatura ambiente fino all'utilizzo,
poi si spezza come indicato e in pochi secondi avvertirete il freddo.
Ma come può qualcosa a temperatura ambiente ghiacciarsi
in così poco tempo?
La risposta sta nella chimica.
Il vostro ghiaccio istantaneo contiene acqua e un composto solido,
di solito nitrato di ammonio, in scomparti separati da una barriera.
Quando la barriera si rompe, il solido si dissolve
provocando quella nota come reazione endotermica,
che assorbe calore dall'ambiente circostante.
Per capire come funziona,
dobbiamo osservare le due forze motrici dietro processi chimici:
l'energetica e l'entropia.
Esse stabiliscono se un sistema cambia e come scorre l'energia se ciò avviene.
In chimica, l'energetica concerne le forze attrattive e repulsive
tra particelle a livello molecolare.
La scala è talmente ridotta che vi sono più molecole d'acqua in un bicchiere
che stelle note nell'universo.
E tutti questi trilioni di molecole
si muovono, vibrano e ruotano costantemente a diverse velocità.
Pensiamo alla temperatura come una misura del moto medio,
o energia cinetica, di tali particelle,
con un aumento del moto che implica un aumento della temperatura,
e viceversa.
Il flusso di calore in ogni trasformazione chimica
dipende dalla forza relativa delle interazioni tra particelle
in ogni stato chimico di una sostanza.
Quando le particelle si attraggono intensamente a vicenda,
si muovono con rapidità avvicinandosi a tal punto
che le forze repulsive le allontanano.
Se l'attrazione iniziale fosse forte abbastanza,
le particelle vibrerebbero avanti e indietro.
Più forte è l'attrazione, più veloce è il loro movimento,
e dato che il calore è essenzialmente moto,
se una sostanza assume uno stato con interazioni maggiori,
il sistema si surriscalda.
Il nostro ghiaccio istantaneo fa l'opposto,
così quando il solido si dissolve nell'acqua,
le nuove interazioni tra particole solide e molecole d'acqua
sono più deboli delle interazioni separate preesistenti.
Ciò fa sì che entrambe le particelle rallentino rispetto alla media,
raffreddando l'intera soluzione.
Ma perché mutare in uno stato con interazioni più deboli?
Quelle più forti non dovrebbero evitare che il solido si dissolva?
È qui che entra in gioco l'entropia.
L'entropia mostra come gli oggetti e l'energia
sono distribuiti secondo un moto casuale.
Se pensate all'aria in una stanza, ci sono diverse disposizioni possibili
per le migliaia di miliardi di particelle che la compongono.
Alcune vedranno le molecole di ossigeno da un lato,
e quelle di azoto dall'altro.
Ma la maggior parte le vedrà mescolate insieme,
ed è per questo che l'aria resta sempre in questo stato.
Ora, se vi sono intense forze attrattive tra particelle,
la probabilità di certe configurazioni può cambiare
anche quando l'unione di certe sostanze è improbabile.
L'acqua e l'olio non si mescolano ad esempio.
Ma per il nitrato di ammonio, o altre sostanze nel ghiaccio istantaneo,
le forze attrattive non sono forti tanto da cambiare le probabilità,
e il moto casuale fa sì che le particelle del solido si separino
dissolvendosi nell'acqua senza tornare al loro stato solido.
In sintesi, il ghiaccio istantaneo si raffredda perché il moto casuale
crea più disposizioni dove il solido e l'acqua si mescolano
e tutte loro possiedono interazioni più deboli tra particelle,
un minore moto complessivo di particelle,
e meno calore di un nuovo impacco.
Dunque se il disordine dovuto all'entropia
può aver causato il vostro infortunio all'inizio,
è anche causa del fresco che vi allevia il dolore.