The chemistry of cold packs - John Pollard

Túi chườm đá làm lạnh cực nhanh như thế nào? - John Pollard

Translator: Thuc Nhi Le Reviewer: Uyen Lam

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

Bạn bị dãn cơ và cảm thấy đau nhói không chịu nổi.

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

Bạn ước gì có thứ gì lạnh như đá để làm dịu cơn đau,

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

nhưng để dùng một túi đá, bạn phải để nó trong tủ đông hàng giờ.

Fortunately, there's another option.

May mắn thay, chúng ta còn có cách khác.

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

Một túi đá lạnh có thể đặt ở nhiệt độ phòng cho đến khi bạn cần dùng,

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

sau đó chỉ cần làm theo hướng dẫn và trong vài giây bạn sẽ giảm cơn đau.

But how can something go from room temperature to near freezing

Nhưng làm cách nào để khiến vật từ nhiệt độ phòng sang trạng thái gần đông lạnh

in such a short time?

chỉ trong thời gian ngắn?

The answer lies in chemistry.

Câu trả lời là dựa vào hóa học.

Your cold pack contains water and a solid compound,

Túi đá bao gồm nước và hỗn hợp rắn,

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

thường là a-mô-ni ni-trát, hai phần bị tách rời bởi một vách ngăn.

When the barrier is broken, the solid dissolves

Khi vách ngăn bị phá vỡ, chất rắn sẽ tan ra

causing what's known as an endothermic reaction,

gây ra phản ứng thu nhiệt,

one that absorbs heat from its surroundings.

là phản ứng vật thu nhiệt từ môi trường xung quanh.

To understand how this works,

Để hiểu rõ hơn về quá trình này,

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

ta cần quan tâm đến hai nguyên nhân dẫn đến quy trình hóa học này:

energetics and entropy.

năng lượng học và nhiệt động lực học.

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

Chúng quyết định sự thay đổi trong hệ thống và sự di chuyển năng lượng nếu có.

In chemistry, energetics deals with the attractive and repulsive forces

Trong hóa học, năng lượng học gồm lực hút và lực đẩy

between particles at the molecular level.

giữa các hạt trong phân tử.

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

Hạt này nhỏ đến nỗi có nhiều phân tử nước trong một ly

than there are known stars in the universe.

hơn số vì sao trong vũ trụ.

And all of these trillions of molecules are

Cả nghìn tỉ phân tử này

constantly moving, vibrating and rotating at different rates.

không ngừng chuyển động, dao động và xoay tròn với tốc độ khác nhau.

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

Ta biết rằng nhiệt độ là thước đo cho chuyển động trung bình,

or kinetic energy, of all these particles,

hay động năng của các hạt này,

with an increase in movement meaning an increase in temperature,

khi vận tốc tăng, nhiệt độ sẽ tăng,

and vice versa.

và ngược lại.

The flow of heat in any chemical transformation

Sự di chuyển của nhiệt trong các biến đổi hóa học

depends on the relative strength of particle interactions

dựa vào độ bền của các liên kết giữa các hạt

in each of a substance's chemical states.

trong trạng thái của mỗi chất hóa học.

When particles have a strong mutual attractive force,

Khi giữa các hạt có lực hút hớn,

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

chúng sẽ chuyển động nhanh về phía nhau đến khi chúng quá gần

that repulsive forces push them away.

lực đẩy sẽ đẩy chúng ra xa.

If the initial attraction was strong enough,

Nếu lực hút ban đầu đủ mạnh,

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

các hạt sẽ chuyển động qua lại như cách này.

The stronger the attraction, the faster their movement,

Lực hút càng mạnh thì chúng chuyển động càng nhanh,

and since heat is essentially motion,

và vì nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến chuyển động,

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

khi một chất thay đổi trạng thái và tương tác giữa các hạt mạnh hơn,

the system heats up.

cả hệ thống sẽ nóng lên.

But our cold packs do the opposite,

Nhưng túi chườm đá thì ngược lại,

which means that when the solid dissolves in the water,

có nghĩa là khi chất rắn tan trong nước,

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

tương tác mới giữa các hạt chất rắn và nước với nhau

are weaker than the separate interactions that existed before.

sẽ yếu hơn lực tương tác riêng của chúng lúc trước.

This makes both types of particles slow down on average,

Điều này khiến cả hai di chuyển chậm hơn,

cooling the whole solution.

và làm lạnh chất lỏng,

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

Nhưng vì sao một chất thay đổi trạng thái khi lực tương tác yếu đi?

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

Tại sao lực tương tác mạnh ban đầu không ngăn chất rắn tan chảy?

This is where entropy comes in.

Đó là vì nhiệt động lực học.

Entropy basically describes how objects and energy

Nhiệt động lực học mô tả cách vật và năng lượng

are distributed based on random motion.

bị phân tán bởi chuyển động ngẫu nhiên.

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

Đối với không khí trong phòng, có nhiều cách sắp xếp khác nhau

for the trillions of particles that compose it.

của hàng nghìn tỉ hạt tạo nên nó.

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

Một số gồm tất cả phân tử ô-xy ở một chỗ,

and all the nitrogen molecules in another.

và tất cả phân tử nitơ ở một nơi khác.

But far more will have them mixed together,

Nhưng phần lớn chúng trộn lẫn với nhau,

which is why air is always found in this state.

tạo nên trạng thái không khí thường thấy.

Now, if there are strong attractive forces between particles,

Bây giờ, nếu có lực hút mạnh giữa các hạt,

the probability of some configurations can change

và làm thay đổi cấu hình chúng

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

đến nỗi chúng không thể trộn lẫn với nhau được.

Oil and water not mixing is an example.

Dầu và nước là ví dụ cho hai chất không trộn lẫn với nhau.

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

Nhưng đối với a-mô-ni ni-trát, hay một số chất khác trong túi đá,

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

lực hút không đủ mạnh để làm thay đổi chúng,

and random motion makes the particles composing the solid separate

và các chuyển động ngẫu nhiên làm các hạt tạo nên chất rắn

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

bị tan trong nước và không thể trở lại trạng thái rắn.

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

Nói đơn giản hơn, túi đá của bạn sẽ đông lại do các chuyển động ngẫu nhiên,

creates more configurations where the solid and water mix together

tạo ra các cấu trúc làm chất rắn và nước trộn lẫn với nhau

and all of these have even weaker particle interaction,

làm tương tác giữa các hạt yếu đi,

less overall particle movement,

chuyển động của các hạt ít hơn,

and less heat than there was inside the unused pack.

và lượng nhiệt ít hơn trong túi không sử dụng.

So while the disorder that can result from entropy

Vì thế dù nhiệt động học gây ra những hỗn loạn

may have caused your injury in the first place,

khiến bạn đau lúc đầu,

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

nó cũng giúp tạo ra cái lạnh làm dịu cơn đau của bạn.