The chemistry of cold packs - John Pollard

ทำไมถุงเย็นถึงเย็นเร็วนัก - จอห์น โพลลาด (John Pollard)

Translator: Kelwalin Dhanasarnsombut Reviewer: Rawee Ma

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

กล้ามเนื้อของคุณยึดตึง และการอักเสบนั้นมันก็สุดจะทน

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

คุณอยากที่จะหาอะไรเย็นๆ ที่จะทำให้ความเจ็บป่วยลดลง

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

แต่ถ้าจะใช้ถุงเย็น คุณต้องแช่มันไว้ ในช่องแข็งก่อนแล้วสักชั่วโมง

Fortunately, there's another option.

โชคดีที่ยังมีอีกวิธี

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

ถุงเย็นสามารถเก็บไว้ได้ที่อุณหภูมิห้อง จนถึงตอนที่คุณต้องการใช้

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

แค่หักมันตามที่บอกไว้ และภายในไม่กี่วินาที คุณก็จะรู้สึกว่ามันเย็น

But how can something go from room temperature to near freezing

แต่ว่า มันเปลี่ยนจากอุณหภูมิห้อง ถึงจุดเกือบเยือกแข็ง

in such a short time?

ในเวลาอันสั้นได้อย่างไร

The answer lies in chemistry.

คำตอบอยู่ที่เคมี

Your cold pack contains water and a solid compound,

ถุงเย็นของคุณบรรจุด้วยน้ำ และสารประกอบที่เป็นของแข็ง

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

ตามปกติแล้วจะเป็น แอมโมเนียม ไนเตรต ในส่วนต่างหากที่แยกโดยที่กั้น

When the barrier is broken, the solid dissolves

เมื่อที่กั้นแตกออก ของแข็งก็ละลาย

causing what's known as an endothermic reaction,

ทำให้เกิดสิ่งที่รู้จักกันว่า ปฏิกิริยาดูดความร้อน

one that absorbs heat from its surroundings.

ที่ดูดเอาความร้อนจากสิ่งแวดล้อมรอบๆ

To understand how this works,

เพื่อให้เข้าใจถึงการทำงาน

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

เราต้องมองที่พลังขับเคลื่อนทั้งสอง ที่อยู่เบื้องหลังกระบวนการทางเคมี

energetics and entropy.

พลังงานและเอนโทรปี

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

สิ่งเหล่านี้กำหนดว่าจะเกิดความเปลี่ยนแปลง ในระบบหรือไม่ พลังงานจะถ่ายเทอย่างไร

In chemistry, energetics deals with the attractive and repulsive forces

ในเคมี พลังงานเกี่ยวกับ พลังการดึงและการผลัก

between particles at the molecular level.

ระหว่างอนุภาคในระดับโมเลกุล

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

ระดับนี้เล็กมากเสียจน โมเลกุลของน้ำในแก้วหนึ่ง

than there are known stars in the universe.

มีมากกว่าจำนวนดาวที่เรารู้จักในจักรวาลเสียอีก

And all of these trillions of molecules are

และโมเลกุลมากมายทั้งหมดนี้

constantly moving, vibrating and rotating at different rates.

เคลื่อนไหว สั่น และหมุนตลอดเวลา ในอัตราต่างๆ กัน

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

เราสามารถคิดถึงอุณหภูมิเป็นดั่ง การวัดค่าเฉลี่ยการเคลื่อนที่

or kinetic energy, of all these particles,

หรือ พลังงานจลย์ ของอนุภาคทั้งหมด

with an increase in movement meaning an increase in temperature,

การเพิ่มขึ้นของการเคลื่อนที่ หมายถึงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ

and vice versa.

และในทำนองกลับกัน

The flow of heat in any chemical transformation

การถ่ายเทความร้อนในการเปลี่ยนแปลงทางเคมี

depends on the relative strength of particle interactions

ขึ้นอยู่กับแรงยึดระหว่างแต่ละอนุภาค

in each of a substance's chemical states.

ในแต่ละสถานะของสสาร

When particles have a strong mutual attractive force,

เมื่อแต่ละอนุภาค มีพลังการดึงดูดร่วมกันที่แข็งแรง

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

พวกมันเคลื่อนที่เข้าหากันอย่างรวดเร็ว จนกระทั่งพวกมันเข้ามาใกล้กันมาก

that repulsive forces push them away.

และแรงผลักดันพวกมันออกจากกัน

If the initial attraction was strong enough,

ถ้าการดึงดูดแรกมีมากพอ

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

อนุภาคจะสั่นไปกลับแบบนั้น

The stronger the attraction, the faster their movement,

ยิ่งมีการดึงแรง ยิ่งมีการเคลื่อนที่เร็ว

and since heat is essentially motion,

และเพราะโดยหลักแล้วความร้อนนั้นเคลื่อนที่

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

เมื่อสสารเปลี่ยนเป็นสถานะ ซึ่งแรงยึดเหล่านี้แข็งแรงมากกว่า

the system heats up.

ระบบก็ร้อนขึ้น

But our cold packs do the opposite,

แต่ถุงเย็นของเราทำตรงข้าม

which means that when the solid dissolves in the water,

ซึ่งหมายความว่า เมื่อของแข็งละลายในน้ำ

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

แรงยึดใหม่ของอนุภาคของแข็ง และโมเลกุลน้ำ

are weaker than the separate interactions that existed before.

จะอ่อนลงกว่าแรงยึดที่แยกกันก่อนหน้านี้

This makes both types of particles slow down on average,

นี่ทำให้อนุภาคทั้งสองชนิดช้าลงโดยเฉลี่ย

cooling the whole solution.

ทำให้ทั้งสารละลายเย็นลง

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

แต่ทำไมสสารถึงเปลี่ยนไปเป็นสถานะ ที่มีแรงยึดอ่อนลง

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

ไม่ใช่ว่าแรงยึดที่แข็งแรงกว่าก่อนหน้านี้ จะทำให้ของแข็งไม่ละลายน้ำหรือ

This is where entropy comes in.

นี่เป็นส่วนที่เอนโทรปีเข้ามา

Entropy basically describes how objects and energy

หลักๆ แล้ว เอนโทรปี อธิบาย ว่าวัตถุและพลังงาน

are distributed based on random motion.

ถูกทำให้แพร่ออกไป โดยหลักของการเคลื่อนที่แบบสุ่ม

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

ถ้าคุณคิดถึงอากาศในห้อง มันมีการจัดตัวได้มากมาย

for the trillions of particles that compose it.

สำหรับอนุภาคหลายล้านล้าน ที่เป็นองค์ประกอบของมัน

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

บางที่จะมีแต่โมเลกุลออกซิเจน

and all the nitrogen molecules in another.

และอีกที่อาจมีแต่โมเลกุลไนโตรเจน

But far more will have them mixed together,

แต่ส่วนใหญ่แล้วพวกมันจะอยู่ผสมรวมกัน

which is why air is always found in this state.

ซึ่งเป็นเหตุว่าทำไมอากาศ จึงถูกพบในสถานะเช่นนี้เสมอ

Now, if there are strong attractive forces between particles,

ทีนี้ ถ้ามีแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคมาก

the probability of some configurations can change

ความน่าจะเป็นของโครงร่างอาจเปลี่ยนไป

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

แม้จะเป็นจุดที่โอกาสไม่เอื้ออำนวย ต่อการรวมกันของสสารบางชนิด

Oil and water not mixing is an example.

น้ำมันและน้ำ ไม่ผสมรวมกัน เป็นตัวอย่าง

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

แต่ในกรณีของแอมโมเนียม ไนเตรต หรือสสารอื่นๆในถุงเย็น

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

แรงผลักไม่มากพอที่จะเปลี่ยนเป็นต่อ

and random motion makes the particles composing the solid separate

และการเคลื่อนที่อย่างสุ่ม ทำให้อนุภาคที่ประกอบด้วยของแข็งแยกจากกัน

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

โดยละลายลงในน้ำ และไม่กลับมาอยู่ในสถานะของแข็งอีก

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

เพื่อที่จะให้เข้าใจง่ายๆ ถุงเย็นของคุณ เย็นขึ้นเพราะการเคลื่อนที่อย่างสุ่ม

creates more configurations where the solid and water mix together

เพิ่มการสร้างสัดส่วนซึ่ง ของแข็งและของเหลวผสมกัน

and all of these have even weaker particle interaction,

และทั้งหมดนี้ มีความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคอ่อนกว่า

less overall particle movement,

มีการเคลื่อนที่ของอนุภาคโดยรวมน้อยลง

and less heat than there was inside the unused pack.

และมีความร้อนน้อยลง กว่าภายในถุงที่ไม่เคยถูกใช้

So while the disorder that can result from entropy

ดังนั้น ในขณะที่ความผิดปกตินี้เกิดขึ้นได้ จากเอนโทรปี

may have caused your injury in the first place,

อาจทำให้คุณบาดเจ็บได้แต่แรก

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

มันยังรับผิดชอบในส่วนการให้ความเย็นสบาย ที่บรรเทาอาการปวดของคุณ