The chemistry of cold packs - John Pollard

어떻게 얼음팩은 빨리 얼려지는가? | 존 폴라드(John Pollard)

번역: 뿡 뿡 검토: Jeong-Lan Kinser

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

자, 당신이 막 근육을 삐었고, 그 염증은 견딜 수 없이 심합니다.

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

당신은 통증을 완화시키기 위해 얼음처럼 차가운 게 있었으면 하고 바라지만,

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

얼음팩을 사용하려면 그걸 몇시간 전에 냉동실에 그것을 넣었어야 했어요.

Fortunately, there's another option.

운좋게도, 다른 대안책이 있습니다.

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

얼음 팩은 그게 필요한 순간 직전까지 실온으로 유지될 수 있습니다.

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

그다음에 그걸 잡으면 몇초이내에 차가움을 느낄것입니다.

But how can something go from room temperature to near freezing

하지만 어떻게 실온에서 거의 냉동의 온도로

in such a short time?

그렇게 단 시간에 바뀔까요?

The answer lies in chemistry.

그 대답은 화학에 있습니다.

Your cold pack contains water and a solid compound,

얼음팩에는 물과 고체 화합물이 함유되어 있는데,

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

그 고체는 대체로 질산암모늄이고, '벽'에 의해 구분되어 있습니다.

When the barrier is broken, the solid dissolves

그 벽이 깨질때, 그 고체는

causing what's known as an endothermic reaction,

주변으로부터 열을 흡수하고,

one that absorbs heat from its surroundings.

이런 '흡열반응'에 의해 녹습니다.

To understand how this works,

이런 작용을 이해하려면,

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

우리는 화학 과정의 두가지 동력을 조사해야 합니다 :

energetics and entropy.

'에너지'와 '엔트로피'입니다.

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

이것들은 어떻게 에너지가 흐르는지, 시스템에서 변화가 발생하는지를 결정하죠.

In chemistry, energetics deals with the attractive and repulsive forces

화학에서, 분자 수준의 입자 사이 에너지는

between particles at the molecular level.

인력과 반발력을 다룹니다.

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

이 규모는 아주 작아서, 한 잔의 컵에는 우주의 별보다 더 많은

than there are known stars in the universe.

물 분자들이 있는거죠.

And all of these trillions of molecules are

그리고 그런 수백만조의 모든 분자들은

constantly moving, vibrating and rotating at different rates.

지속적으로 서로 다른 비율로 움직이고, 진동하고, 회전합니다.

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

우리는 온도를 모든 입자에 대한 평균 움직임, 또는 운동에너지의

or kinetic energy, of all these particles,

측정으로 간주할 수 있습니다.

with an increase in movement meaning an increase in temperature,

분자 음직임의 증가는 온도의 증가를 의미하고

and vice versa.

반대의 경우도 마찬가지입니다.

The flow of heat in any chemical transformation

어떤 화학적 변형에서든 열의 흐름은

depends on the relative strength of particle interactions

개별적인 물질의 화학적 상태에서

in each of a substance's chemical states.

입자 상호작용의 상대적 강도에 좌우됩니다.

When particles have a strong mutual attractive force,

입자들이 서로 강한 인력을 가질 때,

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

그들은 서로에게 너무 가까워져서

that repulsive forces push them away.

반발력으로 서로를 밀어낼 때까지 상대방쪽으로 빠르게 이동합니다.

If the initial attraction was strong enough,

만약 처음 인력이 아주 강력하면,

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

입자들은 앞뒤로의 진동상태를 유지합니다.

The stronger the attraction, the faster their movement,

인력이 강하면 강할수록 그들의 움직임은 빨라지고,

and since heat is essentially motion,

열은 본질적으로 움직임이기 때문에,

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

상호작용이 강한 상태로 물질상태가 변화하는 경우,

the system heats up.

시스템은 가열됩니다.

But our cold packs do the opposite,

그러나 얼음팩은 반대작용을 합니다.

which means that when the solid dissolves in the water,

그건 고체가 물에서 녹을 경우

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

새로운 고체입자와 물분자간에서 서로의 상호작용이

are weaker than the separate interactions that existed before.

이전에 존재했던 분리된 상호작용보다 더 약하다는 의미입니다.

This makes both types of particles slow down on average,

이것은 두가지 입자가 모두 평균적으로 느려지고,

cooling the whole solution.

전체 용액을 차갑게 만듭니다.

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

하지만 왜 물질이 상호작용이 더 약해진 상태로 변화할까요?

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

더 강한 기존의 상호작용이 녹는것을 방지하지 않을까요?

This is where entropy comes in.

여기서 엔트로피가 등장합니다.

Entropy basically describes how objects and energy

엔트로피는 기본적으로 어떻게 물질과 에너지가

are distributed based on random motion.

임의적 움직임을 기반으로 분산되는지 묘사합니다.

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

어떤 방에 있는 공기에 대해 생각해보세요. 그것을 구성하는 수백만 조의 입자를

for the trillions of particles that compose it.

다르게 배열할 수 있는 경우의 수는 아주 많이 있습니다.

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

이것들 중 일부는 한 구역에서 모두 산소 분자로 이루고,

and all the nitrogen molecules in another.

다른 구역에는 모두 질소 분자를 이룹니다.

But far more will have them mixed together,

하지만 훨씬 더 많은 구역들은 혼합되어 있고,

which is why air is always found in this state.

그건 공기가 항상 이런 상태인 이유입니다.

Now, if there are strong attractive forces between particles,

자, 입자들 사이에 강한 인력이 있고,

the probability of some configurations can change

일부 배치의 가능성은

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

예를 들어 심지어 섞이지 않는 물과 기름처럼

Oil and water not mixing is an example.

혼합의 가능성이 없는 물질조차도 변화할 수 있습니다.

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

그러나 질산 암모늄이나 얼음팩에 있는 다른 물질의 경우에는,

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

인력은 그런 가능성을 변화시키기에 충분치 않고,

and random motion makes the particles composing the solid separate

임의적 움직임은 고체를 구성하는 입자를

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

물에 녹음으로써 분리시키고 절대로 고체상태로 되돌아가지 않습니다.

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

간단히, 얼음팩은 이런 임의적 움직임때문에 차가워지고

creates more configurations where the solid and water mix together

그 고체와 물이 혼합하는 더 많은 배열을 만들기 때문입니다.

and all of these have even weaker particle interaction,

또 이것들 모두는 입자 상호작용에 더 약하고,

less overall particle movement,

전체적 입자 움직임은 더 적어지고,

and less heat than there was inside the unused pack.

사용되지 않은 팩 내부에 있는 것보다 열이 더 적습니다.

So while the disorder that can result from entropy

따라서 엔트로피로에서 야기될 수 있는 무질서는

may have caused your injury in the first place,

처음에 당신의 상처에서 초래되었을 지도 모르고,

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

고통을 완화시키는 편안한 차가움의 주역입니다.