Come può il ghiaccio istantaneo raffreddarsi così velocemente? - John Pollard

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Se mettete l'acqua nel freezer, ci vorranno alcune ore perché diventi ghiaccio.
Come è possibile, dunque, che il ghiaccio istantaneo a temperatura ambiente si congeli in pochi secondi? John Pollard descrive i processi chimici del ghiaccio istantaneo, chiarendo i concetti di energetica ed entropia.

Lezione a cura di John Pollard, animazione di Karrot Animation.

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.