어떻게 얼음팩은 빨리 얼려지는가? | 존 폴라드(John Pollard)

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냉장고에 물을 넣으면 그것을 얼리는데 몇시간이 걸립니다. 그러면 어떻게 얼음팩은 상온에서 얼려지는데까지 몇 초밖에 안걸릴까? 존 폴라드는 얼음팩의 화학작용을 상세히, 그리고 에너지와 엔트로피의 개념으로 설명합니다.

강의 : 존 폴라드(John Pollard)
영상 : 캐롯 애니메이션(Karrot Animation)

자, 당신이 막 근육을 삐었고,
그 염증은 견딜 수 없이 심합니다.

당신은 통증을 완화시키기 위해 얼음처럼
차가운 게 있었으면 하고 바라지만,

얼음팩을 사용하려면 그걸 몇시간 전에
냉동실에 그것을 넣었어야 했어요.

운좋게도, 다른 대안책이 있습니다.

얼음 팩은 그게 필요한 순간 직전까지
실온으로 유지될 수 있습니다.

그다음에 그걸 잡으면 몇초이내에
차가움을 느낄것입니다.

하지만 어떻게 실온에서
거의 냉동의 온도로

그렇게 단 시간에 바뀔까요?

그 대답은 화학에 있습니다.

얼음팩에는 물과 고체 화합물이
함유되어 있는데,

그 고체는 대체로 질산암모늄이고,
'벽'에 의해 구분되어 있습니다.

그 벽이 깨질때, 그 고체는

주변으로부터 열을 흡수하고,

이런 '흡열반응'에 의해 녹습니다.

이런 작용을 이해하려면,

우리는 화학 과정의
두가지 동력을 조사해야 합니다 :

'에너지'와 '엔트로피'입니다.

이것들은 어떻게 에너지가 흐르는지,
시스템에서 변화가 발생하는지를 결정하죠.

화학에서, 분자 수준의
입자 사이 에너지는

인력과 반발력을 다룹니다.

이 규모는 아주 작아서, 한 잔의
컵에는 우주의 별보다 더 많은

물 분자들이 있는거죠.

그리고 그런 수백만조의
모든 분자들은

지속적으로 서로 다른 비율로
움직이고, 진동하고, 회전합니다.

우리는 온도를 모든 입자에 대한
평균 움직임, 또는 운동에너지의

측정으로 간주할 수 있습니다.

분자 음직임의 증가는
온도의 증가를 의미하고

반대의 경우도 마찬가지입니다.

어떤 화학적 변형에서든
열의 흐름은

개별적인 물질의 화학적 상태에서

입자 상호작용의
상대적 강도에 좌우됩니다.

입자들이 서로 강한 인력을 가질 때,

그들은 서로에게 너무 가까워져서

반발력으로 서로를 밀어낼 때까지
상대방쪽으로 빠르게 이동합니다.

만약 처음 인력이 아주 강력하면,

입자들은 앞뒤로의
진동상태를 유지합니다.

인력이 강하면 강할수록
그들의 움직임은 빨라지고,

열은 본질적으로 움직임이기 때문에,

상호작용이 강한 상태로
물질상태가 변화하는 경우,

시스템은 가열됩니다.

그러나 얼음팩은 반대작용을 합니다.

그건 고체가 물에서 녹을 경우

새로운 고체입자와 물분자간에서
서로의 상호작용이

이전에 존재했던 분리된 상호작용보다
더 약하다는 의미입니다.

이것은 두가지 입자가
모두 평균적으로 느려지고,

전체 용액을 차갑게 만듭니다.

하지만 왜 물질이 상호작용이
더 약해진 상태로 변화할까요?

더 강한 기존의 상호작용이
녹는것을 방지하지 않을까요?

여기서 엔트로피가 등장합니다.

엔트로피는 기본적으로 어떻게
물질과 에너지가

임의적 움직임을 기반으로
분산되는지 묘사합니다.

어떤 방에 있는 공기에 대해 생각해보세요.
그것을 구성하는 수백만 조의 입자를

다르게 배열할 수 있는
경우의 수는 아주 많이 있습니다.

이것들 중 일부는 한 구역에서
모두 산소 분자로 이루고,

다른 구역에는
모두 질소 분자를 이룹니다.

하지만 훨씬 더 많은 구역들은
혼합되어 있고,

그건 공기가 항상
이런 상태인 이유입니다.

자, 입자들 사이에 강한 인력이 있고,

일부 배치의 가능성은

예를 들어 심지어
섞이지 않는 물과 기름처럼

혼합의 가능성이 없는
물질조차도 변화할 수 있습니다.

그러나 질산 암모늄이나 얼음팩에 있는
다른 물질의 경우에는,

인력은 그런 가능성을
변화시키기에 충분치 않고,

임의적 움직임은
고체를 구성하는 입자를

물에 녹음으로써 분리시키고
절대로 고체상태로 되돌아가지 않습니다.

간단히, 얼음팩은 이런 임의적
움직임때문에 차가워지고

그 고체와 물이 혼합하는
더 많은 배열을 만들기 때문입니다.

또 이것들 모두는
입자 상호작용에 더 약하고,

전체적 입자 움직임은 더 적어지고,

사용되지 않은 팩 내부에
있는 것보다 열이 더 적습니다.

따라서 엔트로피로에서
야기될 수 있는 무질서는

처음에 당신의 상처에서
초래되었을 지도 모르고,

고통을 완화시키는
편안한 차가움의 주역입니다.