速冻袋是如何快速变凉的？ - John Pollard

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如果你把水放进冰箱里，大概要花上几个小时才能让它结冰。那么速冻袋是如何在几秒钟之内就从室温降至冰点的呢？John Pollard解释了速冻袋背后的化学，并引入了热力学和熵的概念。

授课： John Pollard, 动画：Karrot Animation.

你的肌肉刚刚拉伤了，
疼痛和灼烧感让你坐卧难安。

你希望能有些冰的东西来镇痛，

但要是用冰袋，你需要
提早几小时把它放到冷冻室里。

幸运的是，还有另一个选择。

一个速冻袋可以一直放置在室温下，
在你需要它的时候，

只需按照指示摁下它，
然后不出几秒你就会感到寒意。

但是某样东西是如何在这么短的时间内

从室温降到接近冰点的呢？

答案就藏在化学反应中。

你的速冻袋含有水和一种固体化合物，

通常是硝酸铵，
被间隔物阻挡在另一个区域.

当间隔物被打破，固体就溶化了，

并导致了众所周知的吸热反应，

从周围的环境中吸收热量。

为了理解其中的工作原理，

我们需要通过化学过程了解
其背后的两种动力：

热力学和熵。

这些决定了系统中是否会发生变化，
以及如果发生了变化能量如何流动。

在化学中，热力学影响了分子层面

粒子间的引力和斥力。

分子是如此的小，以至于一杯水中的水分子

比宇宙中已知的星星数量还要多。

所有这些数万亿的分子

一直以不同的速度保持运动，振颤和旋转。

我们可以将温度看作平均运动下的标尺,

或者这些所有粒子的动能，

速度的提升意味着温度的提升，

反之亦然。

在任何化学变化中热量的流动

都取决于一个物质各个化学状态下

其粒子间互相作用的相对强弱。

当粒子间有很强的相互引力，

它们会急速地向另一个运动，

直到近到会被斥力推开。

如果初始吸引力足够强大，

粒子会像这样保持前后震动。

引力越大，运动越快，

因为热量本质上是一种运动，

当一种物质进入相互作用更强的状态时，

系统就会升温。

但是速冻袋与之相反，

这意味着，当固体溶解在水中，

固体粒子和水分子之间的新的引力

会比之前分别存在的单独相互作用弱。

这会使两种类型的粒子平均上减速，

使溶液降温。

但是物质是怎么达到
相互作用更弱的状态的呢？

难道之前更强的相互作用
不会阻止固体溶解吗？

这就是熵参与的地方。

熵基本上描述了物质和能量

是基于随机运动分布的。

考虑一下房间里的空气，组成它的万亿粒子

有很多种不同的排列。

某个区域会聚集所有的氧分子，

在另一区域则聚集了所有氮分子。

它们当中绝大多数会混合起来，

这就是为什么空气总在这种状态下被发现。

现在，如果粒子间有更强的引力，

一些构造产生的可能性就会发生改变，

甚至会达到使某些物质不相容的状态。

油和水不能混合就是个例子。

但是对于硝酸铵或者
速冻袋中其他的物质，

引力还不足以强到改变相溶性，

随机运动会让构成固体的粒子
通过溶解到水中而分解，

并且不能恢复到固体状态。

简单来讲，你的速冻袋变冷是因为随机运动

创造出了固体和水混合的状态，

这些粒子间的引力甚至会更弱，

整个的粒子运动越少，

热量就会比未使用过的速冻袋要少。

所以熵造成的紊乱

也许不但导致了你的伤势，

也造成了能舒缓你疼痛的冰爽感。