Вы только что сильно растянули мышцу, боль невыносимая.
Чтобы притупить боль, надо срочно приложить лёд,
но на то, чтобы получить лёд в морозилке, потребуется несколько часов.
К счастью, есть другой вариант.
Холодильный пакет можно держать при комнатной температуре, и когда надо,
вскрыть его, и через пару секунд у вас будет настоящий холодный компресс.
Однако как вещество может замёрзнуть при комнатой температуре
за такое короткое время?
Ответ даст нам химия.
Холодильный пакет содержит воду и твёрдый компонент —
нитрат аммония в разных отсеках, разделённых стенкой.
При вскрытии упаковки стенка ломается, твёрдый компонент растворяется,
запустив так называемую эндотермическую реакцию,
которая поглощает тепло из внешней среды.
Чтобы понять, как это работает,
нам следует рассмотреть движущие силы химических процессов:
превращение энергии и энтропию.
Они определяют, произойдут ли изменения в системе и какие возникнут энергопотоки.
В химии под превращением энергии мы понимаем силы притяжения и отталкивания
между частицами на молекулярном уровне.
Размеры их настолько малы, что молекул воды в одном стакане больше,
чем всех известных звёзд во Вселенной.
Все эти триллионы молекул
постоянно движутся, колеблются и вращаются с разными скоростями.
Температура представляет собой измерение среднего движения
или кинетической энергии всех частиц;
когда интенсивность движения возрастает, температура увеличивается,
и наоборот.
Поток тепла в любом химическом превращении
зависит от относительной силы взаимодействия частиц
при определённых химических состояниях вещества.
Когда частицы имеют сильную взаимную силу притяжения,
они быстро движутся к друг другу, пока не будут так близко,
что силы сопротивления оттолкнут их.
При достаточной силе притяжения
частицы будут продолжать колебаться.
Чем сильнее притяжение, тем быстрее движение частиц,
и поскольку тепло — это, по существу, движение,
когда вещество переходит в состояние, при котором эти взаимодействия сильнее,
система нагревается.
Однако в холодильном пакете происходит обратное:
когда твёрдый компонент растворяется в воде,
новые взаимодействия твёрдых частиц и молекул воды друг с другом
слабее, чем те взаимодействия, которые существовали ранее.
Это в среднем замедляет оба типа частиц,
отчего раствор охлаждается.
Однако зачем веществу меняться к состоянию, где взаимодействия слабее?
Разве более сильные взаимодействия не воспрепятствуют его растворению?
Вот тут-то и проявляется энтропия.
Энтропия объясняет главным образом то, как тела и энергия
распределяются на основе случайного движения.
Представьте воздух в комнате: возможных расположений
триллионов его частиц будет множество.
В каких-то местах будут находиться лишь молекулы кислорода,
в других — только молекулы азота.
Однако гораздо больше будет мест со смешанной концентрацией,
поэтому воздух всегда находится в этом состоянии.
Теперь, если возникнут сильные силы притяжения между частицами,
вероятность некоторых конфигураций может измениться,
вплоть до того, что и вовсе снизят вероятность смешения веществ.
Например, масло и вода не смешиваются.
Однако в случае нитрата аммония или другого вещества в холодильном пакете,
силы притяжения недостаточно сильны, чтобы изменить вероятность,
случайное движение формирует частицы, заставляя твёрдую составляющую
раствориться в воде и не позволяя ей возвратиться в твёрдое состояние.
Проще говоря, ледяной компресс получается благодаря случайному движению,
которое создаёт больше конфигураций для смешения твёрдого вещества и воды,
в результате чего связи между их частицами слабеют,
а движение частиц уменьшается
и температура холодильного пакетика падает после его вскрытия.
Так что хотя беспорядок, вызванный энтропией,
возможно, изначально и явился причиной вашей травмы,
он же доставит тот самый утешительный холод, способный унять вашу боль.