¿Cómo las compresas frías se enfrían tan rápido? - John Pollard

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Si ponemos agua en el congelador, demorará un par de horas en convertirse en hielo. ¿Cómo es posible, entonces, que las compresas frías pasen de la temperatura ambiente a casi congelarse en cuestión de segundos? John Pollard detalla la química de la compresa fría, arrojando luz para ello sobre los conceptos de la energética y la entropía.

Lección de John Pollard, animación de Karrot Animation.

Te lastimaste un músculo
y la inflamación es insoportable.

Te gustaría tener algo helado
para aliviar el dolor,

pero para eso tendrías que haberlo puesto
en el congelador hace horas.

Afortunadamente, hay otra opción.

Una compresa fría puede estar
a temperatura ambiente

hasta que la necesites,

luego sigues las instrucciones
y en segundos sentirás el frío.

Pero ¿cómo pasa de temperatura
ambiente a casi congelado

en tan poco tiempo?

La respuesta está en la química.

La compresa fría tiene agua
y un compuesto sólido,

por lo general nitrato de amonio
en compartimentos separados.

Cuando se rompe la barrera,
el sólido se disuelve

causando lo que se conoce
como reacción endotérmica,

que absorbe calor de su entorno.

Para entender cómo funciona,

tenemos que analizar 2 fuerzas
que gobiernan los procesos químicos:

la energética y la entropía.

Ambas determinan
si hay cambio en un sistema

y cómo fluye la energía, si lo hace.

En química, la energética se ocupa
de las fuerzas de atracción y repulsión

entre partículas a nivel molecular.

Esta escala es tan pequeña que hay
más moléculas de agua en un solo vaso

que estrellas conocidas en el universo.

Y todos estos billones de moléculas

están en continuo movimiento, vibrando,
rotando a diferentes velocidades.

Podemos pensar la temperatura
como la medida del movimiento promedio,

o energía cinética, de estas partículas,

y que un aumento del movimiento
implica un aumento en la temperatura,

y viceversa.

El flujo de calor en cualquier
transformación química

depende de la fuerza relativa
de las interacciones de partículas

en cada uno de los estados
químicos de una sustancia.

Cuando las partículas tienen
una fuerte fuerza mutua de atracción,

se mueven rápidamente unas hacia otras,

hasta que se acercan tanto
que las fuerzas repulsivas las alejan.

Si la atracción inicial
fue lo suficientemente fuerte,

las partículas seguirán vibrando
con vaivenes de esta forma.

Cuanto más fuerte la atracción,
más rápido el movimiento,

y como el calor es en esencia movimiento,

cuando una sustancia cambia a un estado

en el que estas interacciones
son más fuertes, el sistema se calienta.

Pero las compresas frías hacen lo opuesto,

o sea, cuando el sólido
se disuelve en agua,

las nuevas interacciones
de partículas sólidas y moléculas de agua

son más débiles que las interacciones
separadas que existían antes.

Esto hace que ambos tipos de partículas
reduzcan la velocidad promedio,

enfriando toda la solución.

Pero ¿por qué cambiaría una sustancia
a un estado con interacciones más débiles?

Las interacciones más fuertes
preexistentes ¿no evitarían la disolución?

Aquí entra en juego la entropía.

La entropía describe básicamente
cómo objetos y energía

se distribuyen con base
en movimiento aleatorio.

Pensemos en el aire de una habitación,
y los muchos diferentes arreglos posibles

de la infinidad de partículas
que lo componen.

Algunas tendrán todas las moléculas
de oxígeno en un área,

y todas las moléculas
de nitrógeno en otra.

Pero muchas más las tendrán
mezcladas entre sí,

por eso el aire siempre
se encuentra en este estado.

Si hay fuertes fuerzas
de atracción entre partículas,

la probabilidad de algunas
configuraciones puede cambiar

e incluso no favorecer la mezcla
de determinadas sustancias.

Un ejemplo de eso son el agua y el aceite.

Pero en el caso del nitrato de amonio,
u otra sustancia de la compresa fría,

las fuerzas de atracción
no son tan fuertes

como para cambiar las probabilidades,

y el movimiento aleatorio hace

que las partículas que componen
el sólido separado,

al disolverse en el agua,
nunca vuelvan a su estado sólido.

En pocas palabras, la compresa fría
se enfría porque el movimiento aleatorio

crea más configuraciones
en las que sólidos y agua se mezclan

y estas tienen interacciones
aún más débiles de partículas,

menos movimiento global de partículas,

y menos calor que dentro
de la compresa no usada.

Así, mientras que el trastorno
que puede resultar de la entropía

puede haber causado una lesión
en un principio,

también es responsable del frío
reconfortante que alivia el dolor.