The chemistry of cold packs - John Pollard

Переводчик: Dmitry Ivanov Редактор: Ростислав Голод

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

Вы только что сильно растянули мышцу, боль невыносимая.

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

Чтобы притупить боль, надо срочно приложить лёд,

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

но на то, чтобы получить лёд в морозилке, потребуется несколько часов.

Fortunately, there's another option.

К счастью, есть другой вариант.

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

Холодильный пакет можно держать при комнатной температуре, и когда надо,

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

вскрыть его, и через пару секунд у вас будет настоящий холодный компресс.

But how can something go from room temperature to near freezing

Однако как вещество может замёрзнуть при комнатой температуре

in such a short time?

за такое короткое время?

The answer lies in chemistry.

Ответ даст нам химия.

Your cold pack contains water and a solid compound,

Холодильный пакет содержит воду и твёрдый компонент —

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

нитрат аммония в разных отсеках, разделённых стенкой.

When the barrier is broken, the solid dissolves

При вскрытии упаковки стенка ломается, твёрдый компонент растворяется,

causing what's known as an endothermic reaction,

запустив так называемую эндотермическую реакцию,

one that absorbs heat from its surroundings.

которая поглощает тепло из внешней среды.

To understand how this works,

Чтобы понять, как это работает,

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

нам следует рассмотреть движущие силы химических процессов:

energetics and entropy.

превращение энергии и энтропию.

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

Они определяют, произойдут ли изменения в системе и какие возникнут энергопотоки.

In chemistry, energetics deals with the attractive and repulsive forces

В химии под превращением энергии мы понимаем силы притяжения и отталкивания

between particles at the molecular level.

между частицами на молекулярном уровне.

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

Размеры их настолько малы, что молекул воды в одном стакане больше,

than there are known stars in the universe.

чем всех известных звёзд во Вселенной.

And all of these trillions of molecules are

Все эти триллионы молекул

constantly moving, vibrating and rotating at different rates.

постоянно движутся, колеблются и вращаются с разными скоростями.

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

Температура представляет собой измерение среднего движения

or kinetic energy, of all these particles,

или кинетической энергии всех частиц;

with an increase in movement meaning an increase in temperature,

когда интенсивность движения возрастает, температура увеличивается,

and vice versa.

и наоборот.

The flow of heat in any chemical transformation

Поток тепла в любом химическом превращении

depends on the relative strength of particle interactions

зависит от относительной силы взаимодействия частиц

in each of a substance's chemical states.

при определённых химических состояниях вещества.

When particles have a strong mutual attractive force,

Когда частицы имеют сильную взаимную силу притяжения,

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

они быстро движутся к друг другу, пока не будут так близко,

that repulsive forces push them away.

что силы сопротивления оттолкнут их.

If the initial attraction was strong enough,

При достаточной силе притяжения

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

частицы будут продолжать колебаться.

The stronger the attraction, the faster their movement,

Чем сильнее притяжение, тем быстрее движение частиц,

and since heat is essentially motion,

и поскольку тепло — это, по существу, движение,

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

когда вещество переходит в состояние, при котором эти взаимодействия сильнее,

the system heats up.

система нагревается.

But our cold packs do the opposite,

Однако в холодильном пакете происходит обратное:

which means that when the solid dissolves in the water,

когда твёрдый компонент растворяется в воде,

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

новые взаимодействия твёрдых частиц и молекул воды друг с другом

are weaker than the separate interactions that existed before.

слабее, чем те взаимодействия, которые существовали ранее.

This makes both types of particles slow down on average,

Это в среднем замедляет оба типа частиц,

cooling the whole solution.

отчего раствор охлаждается.

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

Однако зачем веществу меняться к состоянию, где взаимодействия слабее?

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

Разве более сильные взаимодействия не воспрепятствуют его растворению?

This is where entropy comes in.

Вот тут-то и проявляется энтропия.

Entropy basically describes how objects and energy

Энтропия объясняет главным образом то, как тела и энергия

are distributed based on random motion.

распределяются на основе случайного движения.

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

Представьте воздух в комнате: возможных расположений

for the trillions of particles that compose it.

триллионов его частиц будет множество.

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

В каких-то местах будут находиться лишь молекулы кислорода,

and all the nitrogen molecules in another.

в других — только молекулы азота.

But far more will have them mixed together,

Однако гораздо больше будет мест со смешанной концентрацией,

which is why air is always found in this state.

поэтому воздух всегда находится в этом состоянии.

Now, if there are strong attractive forces between particles,

Теперь, если возникнут сильные силы притяжения между частицами,

the probability of some configurations can change

вероятность некоторых конфигураций может измениться,

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

вплоть до того, что и вовсе снизят вероятность смешения веществ.

Oil and water not mixing is an example.

Например, масло и вода не смешиваются.

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

Однако в случае нитрата аммония или другого вещества в холодильном пакете,

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

силы притяжения недостаточно сильны, чтобы изменить вероятность,

and random motion makes the particles composing the solid separate

случайное движение формирует частицы, заставляя твёрдую составляющую

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

раствориться в воде и не позволяя ей возвратиться в твёрдое состояние.

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

Проще говоря, ледяной компресс получается благодаря случайному движению,

creates more configurations where the solid and water mix together

которое создаёт больше конфигураций для смешения твёрдого вещества и воды,

and all of these have even weaker particle interaction,

в результате чего связи между их частицами слабеют,

less overall particle movement,

а движение частиц уменьшается

and less heat than there was inside the unused pack.

и температура холодильного пакетика падает после его вскрытия.

So while the disorder that can result from entropy

Так что хотя беспорядок, вызванный энтропией,

may have caused your injury in the first place,

возможно, изначально и явился причиной вашей травмы,

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

он же доставит тот самый утешительный холод, способный унять вашу боль.