Como é que uma bolsa de frio fica fria tão depressa? — John Pollard

Vejam a lição completa em: http://ed.ted.com/lessons/how-do-cold-packs-get-cold-so-fast-john-pollard

Se pusermos água no congelador, levará horas a transformar-se em gelo. Então, como é possível que as bolsas de frio passem de uma temperatura ambiente para quase gelo em poucos segundos? John Pollard pormenoriza a química das bolsas de frio, lançando luz sobre os conceitos da energética e da entropia, pelo meio.

Lição de John Pollard, animação de Karrot Animation.

Tivemos uma distensão muscular
e a inflamação é insuportável.

Bem queríamos ter gelo
para atenuar a dor

mas para isso, devíamos ter posto
água no congelador, horas antes.

Felizmente, há outra opção.

Uma bolsa de frio pode estar
à temperatura ambiente

até ao momento de precisarmos dela.

Depois, basta parti-la
conforme as instruções

para sentir o frio, segundos depois.

Como é possível uma coisa
passar da temperatura ambiente

para o ponto de congelação
em tão pouco tempo?

A resposta está na química.

Uma bolsa de frio contém água
e um composto sólido,

habitualmente nitrato de amónia,

em compartimentos diferentes
separados por uma barreira.

Quando a barreira se parte,
o sólido dissolve-se,

provocando uma reação endotérmica,

uma reação que absorve o calor
à sua volta.

Para perceber como isto funciona,

é preciso observar as duas forças motrizes
por detrás dos processos químicos:

a energética e a entropia.

São elas que determinam se ocorre
uma mudança num sistema

e, caso ocorra, como flui a energia.

Na química, a energética trata
das forças atrativas e repulsivas

entre partículas a nível molecular.

Esta escala é tão pequena que há
mais moléculas de água num copo

do que as estrelas
que se conhecem no universo.

Todos estes biliões de moléculas
estão em constante movimento,

vibrando e girando a diversos ritmos.

A temperatura pode ser uma medida
da quantidade do movimento médio,

ou emergia cinética
de todas essas partículas,

em que um aumento no movimento
significa um aumento na temperatura

e vice-versa.

O fluxo do calor
em qualquer transformação química

depende da força relativa
das interações das partículas

em cada um dos estados
químicos de uma substância.

Quando as partículas têm
uma forte força atrativa mútua,

movem-se rapidamente na direção
umas das outras, até estarem tão próximas

que as forças repulsivas as afastam.

Se a atração inicial
for suficientemente forte,

as partículas mantêm-se a vibrar
para a frente e para trás, deste modo.

Quanto maior for a atração,
mais rápido será o seu movimento

e, como o calor
é essencialmente movimento,

quando uma substância muda para um estado
em que essas interações são mais fortes,

o sistema aquece.

Mas as nossas bolsas de frio
fazem o oposto.

ou seja, quando o sólido
se dissolve na água,

as novas interações das partículas sólidas
com as moléculas de água

são mais fracas do que as interações
separadas que existiam antes.

Isso faz abrandar
os dois tipos de partículas,

arrefecendo toda a solução.

Mas porque é que uma substância
muda para um estado

em que as interações são mais fracas?

As interações mais fortes que existiam

não deviam impedir o sólido
de se dissolver?

É aí que entra a entropia.

A entropia descreve basicamente
como os objetos e a energia

se distribuem, com base
no movimento aleatório.

Se pensarmos no ar duma sala,
há muitas formas possíveis

de os triliões de partículas que o formam
se poderem organizar.

Algumas delas terão todas
as moléculas de oxigénio numa área,

e todas as moléculas de azoto noutra.

Mas a maioria tê-las-á
todas misturadas,

e é por isso que o ar se encontra
sempre neste estado.

Se houver fortes forças atrativas
entre as partículas,

pode mudar a probabilidade
de algumas configurações

até ao ponto em que as probabilidades

não favoreçam certas
misturas de substâncias.

O óleo e a água, por exemplo,
mão se misturam.

Mas, no caso do nitrato de amónia
ou de outras substâncias na bolsa de frio,

o poder das forças atrativas não chega
para alterar as probabilidades,

e o movimento aleatório separa
as partículas que compõem o sólido

dissolvendo-se na água e nunca mais
voltando ao seu estado sólido.

Para simplificar, a bolsa de frio
fica fria porque o movimento aleatório

cria mais configurações onde
o sólido e a água se misturam

e todas elas têm uma interação
de partículas ainda mais fraca,

menor movimento genérico de partículas

e menos calor do que quando estavam
dentro da bolsa, antes de ser utilizada.

Embora a desordem que pode
resultar da entropia

possa ter sido a causa da nossa lesão,

também é responsável pelo frio
reconfortante que atenua a nossa dor.