The chemistry of cold packs - John Pollard

جان پلارد - چطور کیسه یخ به این سرعت سرد می شود؟

Translator: Farnaz Saghafi Reviewer: soheila Jafari

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

خب یه گرفتگی عضله دارید

و التهابش غیر قابل تحمله

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

دلتون می خواست یه چیزی مثل یخ سرد باشه

تا درد رو تسکین بده

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

اما برای استفاده از کیسه یخ،

می بایست ساعتها قبل اونو در فریزر گذاشته باشید

Fortunately, there's another option.

خوشبختانه یه راه دیگه ای هم هست.

و اون کیسه یخی است که می تونه در دمای اتاق نگه داری بشه

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

تا وقتی به اون نیاز داشته باشید.

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

بعد فقط طبق دستور العمل تقی بشکنیدش

و در عرض چند ثانیه سرما را حس می کنید.

But how can something go from room temperature to near freezing

اما چطور چیزی می تونه در این زمان کوتاه

از دمای اتاق به دمای نزدیک به برودت برسه؟

in such a short time?

پاسخ در علم شیمی نهفته است.

The answer lies in chemistry.

کیسه یخ شما محتوی آب و ترکیبی ازمواد جامد است

Your cold pack contains water and a solid compound,

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

معمولا نیترات آمونیوم است، که در محفظه های جدا از هم قرار گرفته.

When the barrier is broken, the solid dissolves

وقتی حایلها شکسته می شوند، مواد جامد حل شده

causing what's known as an endothermic reaction,

باعث ایجاد چیزی بنام واکنش گرماگیر می شود،

one that absorbs heat from its surroundings.

چیزی که گرمای اطراف خود را جذب می کند.

To understand how this works,

برای اینکه کارکرد آنرا بدانید

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

لازمه به دو نیروی محرک در فرایند شیمی توجه کنیم

energetics and entropy.

انرژی و آنتروپی

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

اینها تعیین کننده تغییر ایجاد شده در سیستم بوده

و چگونگی جریان انرژی را در صورت تغییر نشان می دهند.

In chemistry, energetics deals with the attractive and repulsive forces

منظور از انرژی در علم شیمی،

نیروهای جاذب و دافع بین ذرات در سطح مولکولی است.

between particles at the molecular level.

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

این میزان به حدی کوچک است

که مولکولهای موجود در یک لیوان آب

than there are known stars in the universe.

بیشتر از تعداد ستاره های شناخته شده در جهان است.

And all of these trillions of molecules are

و این تریلیون مولکولها

constantly moving, vibrating and rotating at different rates.

دائم در حال حرکت، جنبش و چرخش در سرعتهای متفاوت هستند.

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

می توانیم دما را با میزان متوسط حرکت،

or kinetic energy, of all these particles,

یا انرژی جنبشی کل این ذرات در نظر بگیریم،

with an increase in movement meaning an increase in temperature,

بدین صورت که با افزایش حرکت، دما افزایش می یابد و بالعکس.

and vice versa.

بدین صورت که با افزایش حرکت، دما افزایش می یابد و بالعکس.

The flow of heat in any chemical transformation

جریان گرما در هر تغییر شیمیایی

depends on the relative strength of particle interactions

بستگی به قدرت نسبی تعامل ذرات

in each of a substance's chemical states.

درهر یک از حالات شیمیایی ماده دارد.

When particles have a strong mutual attractive force,

وقتی نیروی جاذبه متقابل قوی در بین ذرات باشد،

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

آنها با سرعت به سمت یکدیگر حرکت میکنند ، تا اینکه خیلی نزدیک شده

that repulsive forces push them away.

و نیروها دافع آنها را از هم می رانند.

If the initial attraction was strong enough,

اگر نیروی کشش اولیه به حد کافی قوی باشد،

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

ارتعاش ذرات به جلو و عقب بدین شکل ادامه می یابد.

The stronger the attraction, the faster their movement,

هر چه نیروی کشش قوی تر باشد، حرکت سریعتر است،

and since heat is essentially motion,

و از آنجائیکه گرما اساسا" نتیجه حرکت است،

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

وقتی حالت یک ماده به شکلی تغییر می کند

که این تعاملها قدرت بیشتری می یابند،

the system heats up.

گرمای سیستم بالا می رود.

But our cold packs do the opposite,

اما کیسه یخ ما برعکس عمل می کند،

which means that when the solid dissolves in the water,

یعنی وقتی که مواد جامد در آب حل می شود،

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

تعامل جدید ذرات جامد و مولکولهای آب ضعیف تر از تعاملی است

are weaker than the separate interactions that existed before.

که هر یک بطور جداگانه در حالت قبلی داشتند.

This makes both types of particles slow down on average,

این باعث می شه که سرعت هر دو نوع ذرات بطور نسبی کاهش یافته

cooling the whole solution.

و دمای کل محلول سرد شود.

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

اما چطور یک ماده به حالتی تغییر می کند که تعاملها ضعیف ترند؟

آیا تعامل قوی تری که در حالت قبلی شان وجود داشت

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

از حل شدن ماده جامد جلوگیری می کند؟

This is where entropy comes in.

این جایی است که آنتروپی وارد عمل می شود.

Entropy basically describes how objects and energy

آنتروپی در اصل توصیف چگونگی توزیع

are distributed based on random motion.

مواد و انرژی بر اساس حرکات متناوب است.

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

اگر هوای یک اتاق را در نظر بگیرید،

ذرات تشکیل دهندۀ آن می توانند بصورتهای بسیار متفاوتی قرار گرفته باشند.

for the trillions of particles that compose it.

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

در برخی حالات، همه مولکولهای اکسیژن در یک سمت

and all the nitrogen molecules in another.

وهمه مولکولهای نیتروژن در سمتی دیگرند.

But far more will have them mixed together,

اما در بیشتر حالات آنها با هم مخلوط هستند ا

which is why air is always found in this state.

به همین دلیل است که هوا همیشه در این حالت یافت می شود.

Now, if there are strong attractive forces between particles,

حال، اگر نیروهای کشش قوی مابین ذرات باشد،

the probability of some configurations can change

احتمال تغییر برخی ترکیب بندی ها وجود دارد،

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

تا جایی که حتی ذرات تمایلی به برخی ترکیبات بخصوص مواد را ندارند.

Oil and water not mixing is an example.

مخلوط نشدن آب و روغن از این نوع مثال است.

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

ما درمورد نیترات آمونیوم، یا مواد دیگر در کیسه یخ شما،

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

نیروهای کششی به اندازه کافی قوی نیستند تا ذرات را تغییر دهند،

and random motion makes the particles composing the solid separate

و حرکات متناوب باعث شده تا ذرات جامد در آب حل شده

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

و دیگر به حالت جامد قبلی خود بازنگردند.

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

به بیان ساده، کیسه یخ شما، سرد می شود چون حرکات متناوب

creates more configurations where the solid and water mix together

در جایی که مواد جامد و آب مخلوط می شوند،

منجر به ایجاد ترکیب بندی های بیشتری شده

and all of these have even weaker particle interaction,

و تمامی اینها تعامل ذرات ضعیفتری دارند،

less overall particle movement,

حرکت کمتر ذرات بطور کل

and less heat than there was inside the unused pack.

و گرمای کمتر نسبت به زمانی که کیسه استفاده نشده بود، دارند.

So while the disorder that can result from entropy

بدین ترتیب، همانگونه که اختلال ناشی از آنتروپی

may have caused your injury in the first place,

می تواند در وحله اول موجب آسیب دیدگی شما شود،

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

همان اختلال سرمایی را ایجاد کرده که درد شما را تسکین می دهد.