The chemistry of cold packs - John Pollard

翻訳: Shuichi Sakai 校正: Tomoyuki Suzuki

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

あなたは筋肉を痛めてしまい 炎症による激痛に耐えかねています

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

痛みを和らげるために 何か冷たいものがあればと思います

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

でもアイスパックを使うためには何時間も前に 冷凍庫に入れておく必要がありました

Fortunately, there's another option.

幸運なことに別の方法があります

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

冷却パックは必要になるまで 常温で保存することができて

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

使用法に従いパックを割ると わずか数秒でひんやりしてきます

But how can something go from room temperature to near freezing

でも どうやったら そんなに短い時間で温度が

in such a short time?

常温から氷結温度近くまで 下がるのでしょう？

The answer lies in chemistry.

その答えは化学にあります

Your cold pack contains water and a solid compound,

冷却パックには水と固体の物質―

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

ふつうは硝酸アンモニウム ― が 壁を隔てて個別に収納されています

When the barrier is broken, the solid dissolves

分離していた壁が壊れると 固体が水に溶け

causing what's known as an endothermic reaction,

吸熱反応という化学反応が起き

one that absorbs heat from its surroundings.

周りから熱を吸収します

To understand how this works,

この現象を理解するには

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

化学反応の背後にある ２つの仕組みを理解しなければなりません

energetics and entropy.

エネルギー論とエントロピーです

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

これらが系の変化や エネルギーの流れを決定づけます

In chemistry, energetics deals with the attractive and repulsive forces

化学において エネルギー論は 分子レベルでの粒子の

between particles at the molecular level.

引力と斥力を扱います

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

尺度がとても小さいので グラス一杯の水には

than there are known stars in the universe.

宇宙にあるとされる星よりも 多い数の水分子が入っています

And all of these trillions of molecules are

これら何兆もの分子は

constantly moving, vibrating and rotating at different rates.

さまざまな速さで たえず動き、振動し、回転しています

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

温度とは これらの分子の平均的な動き

or kinetic energy, of all these particles,

あるいは運動エネルギーと 考えることができます

with an increase in movement meaning an increase in temperature,

運動の量が多ければ温度が高くなり

and vice versa.

その逆も成り立ちます

The flow of heat in any chemical transformation

いかなる化学反応においても 熱の流れは

depends on the relative strength of particle interactions

それぞれの物質の化学的な状態における

in each of a substance's chemical states.

粒子の相互作用の 相対的な強弱によって決まります

When particles have a strong mutual attractive force,

粒子間に強い引力が働くと

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

お互いを素早く引き寄せます そして近くなりすぎると

that repulsive forces push them away.

今度は斥力がお互いを引き離します

If the initial attraction was strong enough,

最初の引き寄せる力が十分に強ければ

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

このように 近づいたり離れたりと 振動を繰り返します

The stronger the attraction, the faster their movement,

引力が強いほど振動の速度も速く

and since heat is essentially motion,

熱とは本質的に粒子の動きなので

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

相互作用がより強くなるような状態に 物質が変化すると

the system heats up.

系の温度は上がります

But our cold packs do the opposite,

しかし冷却パックでは 逆のことが起きています

which means that when the solid dissolves in the water,

つまり固体の物質が水に溶けると

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

固体の粒子と水の分子との相互作用は

are weaker than the separate interactions that existed before.

それぞれの状態でいた時よりも弱くなるのです

This makes both types of particles slow down on average,

これにより双方の粒子の 平均速度が緩やかになり

cooling the whole solution.

溶液全体は冷えるということです

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

しかし 物質が相互作用が弱い状態に 変化するのはなぜでしょう？

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

もともとの相互作用が強ければ 固体が溶けるのを妨ぐのでは？

This is where entropy comes in.

ここでエントロピーの登場です

Entropy basically describes how objects and energy

エントロピーは ランダムな動きによって

are distributed based on random motion.

物質やエネルギーが 分布している様を表します

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

部屋の中の空気の場合 これを構成する何兆もの粒子は

for the trillions of particles that compose it.

多くの異なる並び方が可能です

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

ある並び方では部屋の片隅に すべての酸素分子がかたより

and all the nitrogen molecules in another.

もう片隅に窒素の分子が かたまるかもしれません

But far more will have them mixed together,

しかしバラバラに散らばっている 可能性の方が断然高いので

which is why air is always found in this state.

空気はいつもバラバラに 混ざった状態で見出されます

Now, if there are strong attractive forces between particles,

さて粒子間の引力が強い場合

the probability of some configurations can change

いくつかの並び替えの確率が 変わることがあり

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

物質が混ざる確率を グンと下げることもあります

Oil and water not mixing is an example.

油と水が混ざらないのはこの例です

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

硝酸アンモニウムなど 冷却パックに使われている物質の場合

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

引き合う力は確率を変えるほどは強くなく

and random motion makes the particles composing the solid separate

ランダムな動きが 固体を構成する粒子をバラバラにし

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

水に溶けることで 固体には戻らなくなります

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

簡単に言えば 冷却パックが冷えるのは ランダムな動きが

creates more configurations where the solid and water mix together

固体と水が混合する 組み合わせをより多く作り出し

and all of these have even weaker particle interaction,

これらの組み合わせでは 粒子の相互作用がより弱いため

less overall particle movement,

平均的にみた粒子の動きが鈍くなり

and less heat than there was inside the unused pack.

未開封の冷却パックよりも 熱量が少なくなるからです

So while the disorder that can result from entropy

つまりエントロピーがもたらす乱雑さが

may have caused your injury in the first place,

あなたの怪我のもとに なったかもしれませんが

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

その痛みを和らげる心地よい冷たさを 生み出して くれてもいるのです