Jak się schładza kompres samochłodzący? - John Pollard

Pełna wersja lekcji: http://ed.ted.com/lessons/how-do-cold-packs-get-cold-so-fast-john-pollard

Kiedy wstawiasz wodę do lodówki, zamarznięcie na lód zajmuje jej parę godzin. Jak to się dzieje, że samochłodzące kompresy w sekundę przechodzą od temperatury pokojowej do bliskiej zeru? John Pollard wyjaśnia chemię samochłodzącego kompresu, przy okazji rzucając światło na pojęcia energii i entropii.

Autor: John Pollard, animacja: Karrot Animation

Męczy cię zapalenie nadwerężonego mięśnia.

Miło byłoby mieć coś zimnego,
żeby zmniejszyć ból,

ale zimny kompres trzeba by
włożyć do lodówki parę godzin wcześniej.

Na szczęście masz inną opcję.

Kompres samochłodzący może leżeć
w temperaturze pokojowej,

ale wystarczy go zgnieść
i zaraz poczujesz chłód.

Jak to możliwe, żeby coś
w temperaturze pokojowej

zamarzło tak szybko?

Odpowiedź zna chemia.

Twój kompres ma w środku wodę i proszek,

najczęściej azotan amonu,
rozdzielone przegrodą.

Kiedy ją przełamać, proszek rozpuszcza się

w tak zwanym procesie endotermicznym,

czyli pochłaniającym ciepło z otoczenia.

Żeby zrozumieć, jak to się dzieje,

trzeba spojrzeć na dwie siły
napędzające procesy chemiczne:

przemiany energii i entropię.

One decydują, czy w systemie zajdzie
zmiana i jak będzie przepływała energia.

Przemiany energii w chemii
odzwierciedlają siły przyciągania

i odpychania między cząsteczkami.

Cząsteczki są tak małe,
że szklanka wody zawiera ich więcej

niż znamy gwiazd we wszechświecie.

I każda z tych bilionów cząsteczek

bez przerwy się porusza, drga
i obraca z rozmaitymi prędkościami.

Możemy przedstawić temperaturę

jako miarę średniego ruchu,
czyli energii kinetycznej,

tych wszystkich cząsteczek.

Ze wzrostem ruchu temperatura rośnie

i odwrotnie.

Przepływ ciepła w przemianie chemicznej

zależy od siły oddziaływań
między cząsteczkami

w stanie przed i po reakcji.

Kiedy cząsteczki przyciągają się
wzajemnie z dużą siłą,

biegną szybko ku sobie,
aż zbliżą się na tyle,

że rozdzielą je siły odpychania.

Jeśli przyciąga je wystarczająco duża siła

cząsteczki będą się
zbliżać i oddalać raz po raz.

Tym szybciej, im mocniej się przyciągają,

a skoro ciepło to właściwie ruch,

kiedy substancja przechodzi w stan,
w którym te oddziaływania są większe,

system się rozgrzewa.

Ale w kompresie jest odwrotnie,

to znaczy - kiedy proszek
rozpuszcza się w wodzie,

oddziaływania cząsteczek proszku
z cząsteczkami wody są słabsze,

niż uprzednie oddzielne reakcje.

To sprawia, że średnia prędkość
obu rodzajów cząsteczek maleje,

a więc roztwór się schładza.

Ale dlaczego substancja miałaby przejść
w stan ze słabszymi oddziaływaniami?

Czy mocniejsze oddziaływania w czystych
substancjach nie zapobiegną wymieszaniu?

Tutaj wkracza entropia.

Entropia opisuje rozprzestrzenianie się

ciał i energii w oparciu
o przypadkowy ruch.

Biliony cząsteczek, z których
składa się powietrze w pokoju,

mogą być rozłożone na wiele sposobów.

W niektórych wszystkie cząsteczki tlenu
zbiorą się w jednym miejscu,

a wszystkie cząsteczki azotu - w drugim.

Ale jest znacznie więcej układów,
w których są wymieszane.

Dlatego powietrze zawsze jest mieszaniną.

Silne oddziaływania między cząsteczkami

mogą zmienić prawdopodobieństwo
zaistnienia pewnych układów,

czasem tak bardzo, że niektóre substancje
nie chcą się mieszać.

Na przykład olej z wodą.

Ale w przypadku azotanu amonu
i innych substancji używanych w kompresach

siły przyciągania nie są na tyle duże,
żeby zmienić prawdopodobieństwo

i przypadkowy ruch
cząsteczek rozdziela je,

przeprowadza do roztworu i nie pozwala
zbić się z powrotem w stałą grudkę.

Mówiąc prościej, kompres schładza się sam,

bo przypadkowy ruch
wytwarza więcej stanów,

w których proszek i woda są zmieszane,

co daje jeszcze słabsze
oddziaływanie międzycząsteczkowe,

mniej ruchu

i mniej ciepła niż w nowym kompresie.

Chociaż to entropia mogła spowodować

twoją kontuzję,

to właśnie ona dostarcza tego
przyjemnego zimna, które koi ból.