The chemistry of cold packs - John Pollard

المترجم: Hani Eldalees المدقّق: Anwar Dafa-Alla

So you just strained a muscle and the inflammation is unbearable.

اذا لقد ارهقت عضلة للتو والألم لايطاق

You wish you had something ice-cold to dull the pain,

تتمنى لو كان لديك شيء بارد كالثلج لتخفف الألم,

but to use an ice pack, you would have had to put it in the freezer hours ago.

لكن لاستخدام كيس ثلج عليك أن تضعه في الثلاجة قبل ساعات

Fortunately, there's another option.

لحسن الحظ، هناك خيار آخر

A cold pack can be left at room temperature until the moment you need it,

كيس ثلج سريع التجمد يمكن تركه بحرارة الغرفة حتى اللحظة التي تحتاج إليه

then just snap it as instructed and within seconds you'll feel the chill.

بعدها اكسرها وفقاً للتعليمات وستشعر بالبرد خلال ثوانٍ.

But how can something go from room temperature to near freezing

لكن كيف لحرارة شيء ما أن يتغيرمن حرارة الغرفة إلى التجمد تقريباً

in such a short time?

في مثل هذا الوقت القصير؟

The answer lies in chemistry.

الإجابة تكمن في الكيمياء.

Your cold pack contains water and a solid compound,

يحتوي كيس الثلج سريع التجمد على ماء ومركب صلب

usually ammonium nitrate, in different compartments separated by a barrier.

عادة تكون نيترات الأمونيوم, في عدة حجرات تفصل بواسطة حاجز

When the barrier is broken, the solid dissolves

عندما يُكسر الحاجز, تنحل المادة الصلبة

causing what's known as an endothermic reaction,

مسببة مايدعى "رد فعل ماص للحرارة"

one that absorbs heat from its surroundings.

حالما تَمتَص الحرارة من محيطها.

To understand how this works,

لكي نفهم كيف تتم العملية,

we need to look at the two driving forces behind chemical processes:

نحن بحاجة الى أن ننظر في القوى المحركة وراء العمليات الكيميائية:

energetics and entropy.

علم الطاقة و الإنتروبيا.

These determine whether a change occurs in a system and how energy flows if it does.

هؤلاء يحددون ما إذا حدث تغير في النظام وكيف تتدفق الطاقة إذا تدفقت.

In chemistry, energetics deals with the attractive and repulsive forces

في الكيمياء, علم الطاقة يتعامل مع القوى الجاذبة والمنفرة

between particles at the molecular level.

بين الجسيمات على المستوى الجزيئي

This scale is so small that there are more water molecules in a single glass

هذا الحجم ضئيل جدا لدرجة أن هناك من جزيئات الماء في كوب واحد

than there are known stars in the universe.

أكثر من النجوم المعروفة في الكون

And all of these trillions of molecules are

وكل هذه الترليونات من الجزيئات

constantly moving, vibrating and rotating at different rates.

تتحرك باستمرار وتهتز وتدور بمعدلات مختلفة

We can think of temperature as a measurement of the average motion,

نستطيع التفكير بدرجة الحرارة على أنها المقياس الوسطي للحركة

or kinetic energy, of all these particles,

أو الطاقة الحركية لكل هذه الجزيئات

with an increase in movement meaning an increase in temperature,

ومع الزيادة في الحركة يعني زيادة في درجة الحرارة,

and vice versa.

والعكس صحيح.

The flow of heat in any chemical transformation

تدفق الحرارة في أي تحول كيميائي

depends on the relative strength of particle interactions

يعتمد على القوة النسبية لتفاعل الجسيمات

in each of a substance's chemical states.

لكل الحالات الكيميائية للمادة.

When particles have a strong mutual attractive force,

عندما تملك الجسيمات قوة جاذبة مشتركة قوية,

they move rapidly towards one another, until they get so close,

تتحرك بشكل سريع نحو الاخرى حتى تصبحا متقاربتين

that repulsive forces push them away.

فتدفعهم القوى النافرة بعيدا.

If the initial attraction was strong enough,

اذا كان التجاذب الأولي قوياً بما يكفي

the particles will keep vibrating back and forth in this way.

عندها ستستمر الجسيمات بالإهتزاز ذهابا وإيابا بهذه الطريقة

The stronger the attraction, the faster their movement,

كلما زاد التجاذب ,زادت حركتهم,

and since heat is essentially motion,

وبما أن الحرارة هي حركة بالأساس,

when a substance changes to a state in which these interactions are stronger,

عندما تتحول مادة الى حالة من الحركة السريعة القوية

the system heats up.

فإن النظام يبدأ بالسخونة.

But our cold packs do the opposite,

ولكن أكياسنا الثلجية تفعل العكس,

which means that when the solid dissolves in the water,

مايعني أنه عندما تذوب القطعة الصلبة في الماء,

the new interactions of solid particles and water molecules with each other

تصبح التفاعلات الجديدة للجسيمات الصلبة وجزيئات الماء مع بعضها

are weaker than the separate interactions that existed before.

أضعف من التفاعلات المنفصلة التي كانت من قبل.

This makes both types of particles slow down on average,

هذا يجعل النوعين من الجسيمات تبطئ في المتوسط,

cooling the whole solution.

مبردةً المحلول كله.

But why would a substance change to a state where the interactions were weaker?

لكن لماذا تتحول مادة الى حالة حيث التفاعلات تكون فيها أضعف؟

Wouldn't the stronger preexisting interactions keep the solid from dissolving?

إلا تكون الحالة التي هي عليه أساساً تبقي الحالة الصلبة من أن تصبح سائلة؟

This is where entropy comes in.

هنا تأتي الأنتروبيا

Entropy basically describes how objects and energy

فهي تصف كيف تتوزع الأجسام والطاقة

are distributed based on random motion.

استناداً على الحركة العشوائية

If you think of the air in a room, there are many different possible arrangements

اذا فكرت بالهواء في غرفة هناك العديد من الترتيبات الممكنة المختلفة

for the trillions of particles that compose it.

للترليونات من الجسيمات التي تتكون منها.

Some of these will have all the oxygen molecules in one area,

بعض من هذه ستحصل على كل جزيئات الاوكسجين في مكان واحد

and all the nitrogen molecules in another.

وكل جزيئات النتروجين في مكان آخر.

But far more will have them mixed together,

ولكن أكثر بكثير سيكونون مختلطين سوية

which is why air is always found in this state.

وهذا هو السبب لماذا يوجد الهواء بهذه الحالة

Now, if there are strong attractive forces between particles,

الآن, اذا كان هناك قوى تجاذب قوية بين الجسيمات

the probability of some configurations can change

الاحتمالية لبعض التكوينات يمكن أن تتغير

even to the point where the odds don't favor certain substances mixing.

حتى الى النقطة حيث الاحتمالات لاتحبذ أن تختلط مواد معينة

Oil and water not mixing is an example.

الزيت والماء لايختلطان على سبيل المثال.

But in the case of the ammonium nitrate, or other substance in your cold pack,

ولكن في حالة نيترات الأمونيوم أو مادة اخرى في كيس الثلج خاصتك,

the attractive forces are not strong enough to change the odds,

القوى الجاذبة غير قوية بما يكفي لتغيير الاحتمالات

and random motion makes the particles composing the solid separate

والحركة العشوائية تجعل الجسيمات التي تشكل الحالة الصلبة تنفصل

by dissolving into the water and never returning to their solid state.

بالإنحلال في الماء وعدم العودة الى حالتها الصلبة

To put it simply, your cold pack gets cold because random motion

ببساطة, أكياس الثلج خاصتك تصبح باردة لأن الحركة العشوائية

creates more configurations where the solid and water mix together

تخلق المزيد من التكوينات حيث المادتين الصلبة والسائلة يختلطان سوية

and all of these have even weaker particle interaction,

وكل هذا

less overall particle movement,

حركة الجسيمات الكلية أقل,

and less heat than there was inside the unused pack.

وأقل حرارة من التي في الكيس قبل الاستخدام

So while the disorder that can result from entropy

في حين أن الاضطراب الذي نتج عن الانتروبيا

may have caused your injury in the first place,

قد سبب لك الإصابة في بادئ الأمر,

its also responsible for that comforting cold that soothes your pain.

مسؤولة أيضا عن ذلك البرد المريح الذي يخفف ألمك.