Bạn bị dãn cơ và cảm thấy đau nhói không chịu nổi.
Bạn ước gì có thứ gì lạnh như đá để làm dịu cơn đau,
nhưng để dùng một túi đá, bạn phải để nó trong tủ đông hàng giờ.
May mắn thay, chúng ta còn có cách khác.
Một túi đá lạnh có thể đặt ở nhiệt độ phòng cho đến khi bạn cần dùng,
sau đó chỉ cần làm theo hướng dẫn và trong vài giây bạn sẽ giảm cơn đau.
Nhưng làm cách nào để khiến vật từ nhiệt độ phòng sang trạng thái gần đông lạnh
chỉ trong thời gian ngắn?
Câu trả lời là dựa vào hóa học.
Túi đá bao gồm nước và hỗn hợp rắn,
thường là a-mô-ni ni-trát, hai phần bị tách rời bởi một vách ngăn.
Khi vách ngăn bị phá vỡ, chất rắn sẽ tan ra
gây ra phản ứng thu nhiệt,
là phản ứng vật thu nhiệt từ môi trường xung quanh.
Để hiểu rõ hơn về quá trình này,
ta cần quan tâm đến hai nguyên nhân dẫn đến quy trình hóa học này:
năng lượng học và nhiệt động lực học.
Chúng quyết định sự thay đổi trong hệ thống và sự di chuyển năng lượng nếu có.
Trong hóa học, năng lượng học gồm lực hút và lực đẩy
giữa các hạt trong phân tử.
Hạt này nhỏ đến nỗi có nhiều phân tử nước trong một ly
hơn số vì sao trong vũ trụ.
Cả nghìn tỉ phân tử này
không ngừng chuyển động, dao động và xoay tròn với tốc độ khác nhau.
Ta biết rằng nhiệt độ là thước đo cho chuyển động trung bình,
hay động năng của các hạt này,
khi vận tốc tăng, nhiệt độ sẽ tăng,
và ngược lại.
Sự di chuyển của nhiệt trong các biến đổi hóa học
dựa vào độ bền của các liên kết giữa các hạt
trong trạng thái của mỗi chất hóa học.
Khi giữa các hạt có lực hút hớn,
chúng sẽ chuyển động nhanh về phía nhau đến khi chúng quá gần
lực đẩy sẽ đẩy chúng ra xa.
Nếu lực hút ban đầu đủ mạnh,
các hạt sẽ chuyển động qua lại như cách này.
Lực hút càng mạnh thì chúng chuyển động càng nhanh,
và vì nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến chuyển động,
khi một chất thay đổi trạng thái và tương tác giữa các hạt mạnh hơn,
cả hệ thống sẽ nóng lên.
Nhưng túi chườm đá thì ngược lại,
có nghĩa là khi chất rắn tan trong nước,
tương tác mới giữa các hạt chất rắn và nước với nhau
sẽ yếu hơn lực tương tác riêng của chúng lúc trước.
Điều này khiến cả hai di chuyển chậm hơn,
và làm lạnh chất lỏng,
Nhưng vì sao một chất thay đổi trạng thái khi lực tương tác yếu đi?
Tại sao lực tương tác mạnh ban đầu không ngăn chất rắn tan chảy?
Đó là vì nhiệt động lực học.
Nhiệt động lực học mô tả cách vật và năng lượng
bị phân tán bởi chuyển động ngẫu nhiên.
Đối với không khí trong phòng, có nhiều cách sắp xếp khác nhau
của hàng nghìn tỉ hạt tạo nên nó.
Một số gồm tất cả phân tử ô-xy ở một chỗ,
và tất cả phân tử nitơ ở một nơi khác.
Nhưng phần lớn chúng trộn lẫn với nhau,
tạo nên trạng thái không khí thường thấy.
Bây giờ, nếu có lực hút mạnh giữa các hạt,
và làm thay đổi cấu hình chúng
đến nỗi chúng không thể trộn lẫn với nhau được.
Dầu và nước là ví dụ cho hai chất không trộn lẫn với nhau.
Nhưng đối với a-mô-ni ni-trát, hay một số chất khác trong túi đá,
lực hút không đủ mạnh để làm thay đổi chúng,
và các chuyển động ngẫu nhiên làm các hạt tạo nên chất rắn
bị tan trong nước và không thể trở lại trạng thái rắn.
Nói đơn giản hơn, túi đá của bạn sẽ đông lại do các chuyển động ngẫu nhiên,
tạo ra các cấu trúc làm chất rắn và nước trộn lẫn với nhau
làm tương tác giữa các hạt yếu đi,
chuyển động của các hạt ít hơn,
và lượng nhiệt ít hơn trong túi không sử dụng.
Vì thế dù nhiệt động học gây ra những hỗn loạn
khiến bạn đau lúc đầu,
nó cũng giúp tạo ra cái lạnh làm dịu cơn đau của bạn.