Comment les cryosacs se refroidissent-ils aussi vite ? - John Pollard

Regardez la leçon entière : http://ed.ted.com/lessons/how-do-cold-packs-get-cold-so-fast-john-pollard

Si vous mettez de l'eau au congélateur, elle va mettre des heures à geler. Comment font les cryosacs pour passer de la température ambiante à glacial en quelques secondes ? John Pollard détaille la chimie des cryosacs, mettant en lumière au passage les concepts d'énergétique et d'entropie.

Par John Pollard, animation par Karrot Animation.

Vous venez de vous froisser un muscle
et l'inflammation est insupportable.

Vous aimeriez avoir de la glace
pour atténuer la douleur,

mais pour ça, vous auriez dû mettre
la poche de glace au congélateur avant.

Heureusement, il existe une autre option.

Un cryosac peut être laissé
à température ambiante jusqu'à utilisation,

il suffit alors de le craquer
pour sentir le frais en quelques secondes.

Mais comment un produit passe-t-il
de la température ambiante à glaciale

en aussi peu de temps ?

La réponse est dans la chimie.

Votre cryosac contient de l'eau
et un composant solide,

habituellement du nitrate d'ammonium,
dans différents compartiments séparés.

Lorsque la séparation est brisée,
le solide se dissout

provoquant ce qu'on appelle
une réaction endothermique,

qui absorbe la chaleur
de ce qui l'entoure.

Pour comprendre comment
ça fonctionne,

on s'intéresse aux deux forces motrices
derrière le procédé chimique :

l'énergétique et l'entropie.

Ça détermine si un changement se produit
et si oui, comment l'énergie se répand.

En chimie, l'énergétique implique
les forces attractives et répulsives

entre les particules
au niveau moléculaire.

Cette échelle est si petite qu'il y a
plus de molécules d'eau dans un seul verre

que d'étoiles connues dans l'univers.

Et ces milliers de milliards de molécules

bougent, vibrent et tournent
en permanence à différentes vitesses.

La température peut être une mesure
de la quantité de mouvement moyenne,

aussi appelée énergie cinétique,
des particules.

Si le mouvement augmente,
alors la température aussi,

et vice versa.

Le flux de chaleur de chaque
transformation chimique

dépend de la force relative
des interactions des particules

dans chacun des états chimiques
de la substance.

Quand des particules ont
une force d'attraction mutuelle forte,

elles se déplacent l'une vers l'autre,
jusqu'à être si proches,

que les forces répulsives les repoussent.

Si l'attraction initiale était
suffisamment forte,

les particules vont continuer
de faire des va-et-vient ainsi.

Plus l'attraction est grande,
plus le mouvement est rapide,

et puisque la chaleur est
essentiellement un mouvement,

quand une substance évolue vers un état
où les interactions sont plus fortes,

le système s'échauffe.

Mais nos cryosacs font le contraire,

donc quand le solide
se dissout dans l'eau,

les interactions des particules solides
avec les molécules d'eau

sont plus faibles que les interactions
qui existaient avant séparément.

Ça ralentit les deux types de particules
en moyenne,

et refroidit la solution complète.

Mais pourquoi changer vers un état
où les interactions sont plus faibles ?

Pourquoi les interactions fortes
n'empêchent pas le solide de se dissoudre?

C'est là que l'entropie entre en jeu.

L'entropie décrit comment
les objets et l'énergie

sont distribués en fonction
du mouvement aléatoire.

Si vous considérez l'air d'une pièce,
il y a énormément d'arrangements possibles

pour les milliers de milliards
de particules en lui.

Quelques-uns auront toutes
les molécules d'oxygène dans un coin,

et toutes celles d'azote dans un autre.

Mais beaucoup plus auront tout mélangé,

et c'est pourquoi l'air
est toujours dans cet état.

Mais s'il y a des forces
attractives fortes entre les particules,

la probabilité de certaines configurations
peut changer

et les probabilités ne favorisent plus
certains mélanges de substances.

On peut prendre l'exemple
de l'huile et de l'eau.

Mais dans le cas du nitrate d'ammonium,
ou d'une autre substance de votre cryosac,

les forces attractives ne suffisent pas
à changer les probabilités,

et le mouvement aléatoire sépare
les particules du solide

en les dissolvant dans l'eau et en les
empêchant de retourner à l'état solide.

Pour résumer, votre cryosac se refroidit
parce que le mouvement aléatoire

créé plus de configurations où
le solide et l'eau se mélangent

et elles ont toutes de plus faibles
interactions entre particules,

un plus faible mouvement des particules,

et moins de chaleur
que dans le cryosac non utilisé.

Donc si le désordre créé par l'entropie

a peut-être causé votre blessure du début,

elle est aussi là pour créer la fraicheur
qui atténue votre douleur.