ทำไมถุงเย็นถึงเย็นเร็วนัก - จอห์น โพลลาด (John Pollard)

ชมบทเรียนแบบเต็มได้ที่: http://ed.ted.com/lessons/how-do-cold-packs-get-cold-so-fast-john-pollard

ถ้าคุณเอาน้ำเข้าช่องแข็ง มันจะใช้เวลาสองสามชั่วโมงเพื่อทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง แล้วทำไมถุงเย็นจึงเปลี่ยนจากอุณหภูมิห้องลงไปเกือบเยือกแข็งในไม่กี่วินาที จอห์น โพลลาด ให้รายละเอียดเคมีของถุงเย็น และให้ความกระจ่างกับแนวคิดของพลังงานและเอนโทรปีตลอดการบรรยาย

แบบเรียนโดย John Pollard, แอนิเมชั่นโดย Karrot Animation.

กล้ามเนื้อของคุณยึดตึง
และการอักเสบนั้นมันก็สุดจะทน

คุณอยากที่จะหาอะไรเย็นๆ
ที่จะทำให้ความเจ็บป่วยลดลง

แต่ถ้าจะใช้ถุงเย็น คุณต้องแช่มันไว้
ในช่องแข็งก่อนแล้วสักชั่วโมง

โชคดีที่ยังมีอีกวิธี

ถุงเย็นสามารถเก็บไว้ได้ที่อุณหภูมิห้อง
จนถึงตอนที่คุณต้องการใช้

แค่หักมันตามที่บอกไว้
และภายในไม่กี่วินาที คุณก็จะรู้สึกว่ามันเย็น

แต่ว่า มันเปลี่ยนจากอุณหภูมิห้อง
ถึงจุดเกือบเยือกแข็ง

ในเวลาอันสั้นได้อย่างไร

คำตอบอยู่ที่เคมี

ถุงเย็นของคุณบรรจุด้วยน้ำ
และสารประกอบที่เป็นของแข็ง

ตามปกติแล้วจะเป็น แอมโมเนียม ไนเตรต
ในส่วนต่างหากที่แยกโดยที่กั้น

เมื่อที่กั้นแตกออก ของแข็งก็ละลาย

ทำให้เกิดสิ่งที่รู้จักกันว่า
ปฏิกิริยาดูดความร้อน

ที่ดูดเอาความร้อนจากสิ่งแวดล้อมรอบๆ

เพื่อให้เข้าใจถึงการทำงาน

เราต้องมองที่พลังขับเคลื่อนทั้งสอง
ที่อยู่เบื้องหลังกระบวนการทางเคมี

พลังงานและเอนโทรปี

สิ่งเหล่านี้กำหนดว่าจะเกิดความเปลี่ยนแปลง
ในระบบหรือไม่ พลังงานจะถ่ายเทอย่างไร

ในเคมี พลังงานเกี่ยวกับ
พลังการดึงและการผลัก

ระหว่างอนุภาคในระดับโมเลกุล

ระดับนี้เล็กมากเสียจน
โมเลกุลของน้ำในแก้วหนึ่ง

มีมากกว่าจำนวนดาวที่เรารู้จักในจักรวาลเสียอีก

และโมเลกุลมากมายทั้งหมดนี้

เคลื่อนไหว สั่น และหมุนตลอดเวลา
ในอัตราต่างๆ กัน

เราสามารถคิดถึงอุณหภูมิเป็นดั่ง
การวัดค่าเฉลี่ยการเคลื่อนที่

หรือ พลังงานจลย์ ของอนุภาคทั้งหมด

การเพิ่มขึ้นของการเคลื่อนที่
หมายถึงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ

และในทำนองกลับกัน

การถ่ายเทความร้อนในการเปลี่ยนแปลงทางเคมี

ขึ้นอยู่กับแรงยึดระหว่างแต่ละอนุภาค

ในแต่ละสถานะของสสาร

เมื่อแต่ละอนุภาค
มีพลังการดึงดูดร่วมกันที่แข็งแรง

พวกมันเคลื่อนที่เข้าหากันอย่างรวดเร็ว
จนกระทั่งพวกมันเข้ามาใกล้กันมาก

และแรงผลักดันพวกมันออกจากกัน

ถ้าการดึงดูดแรกมีมากพอ

อนุภาคจะสั่นไปกลับแบบนั้น

ยิ่งมีการดึงแรง ยิ่งมีการเคลื่อนที่เร็ว

และเพราะโดยหลักแล้วความร้อนนั้นเคลื่อนที่

เมื่อสสารเปลี่ยนเป็นสถานะ
ซึ่งแรงยึดเหล่านี้แข็งแรงมากกว่า

ระบบก็ร้อนขึ้น

แต่ถุงเย็นของเราทำตรงข้าม

ซึ่งหมายความว่า เมื่อของแข็งละลายในน้ำ

แรงยึดใหม่ของอนุภาคของแข็ง
และโมเลกุลน้ำ

จะอ่อนลงกว่าแรงยึดที่แยกกันก่อนหน้านี้

นี่ทำให้อนุภาคทั้งสองชนิดช้าลงโดยเฉลี่ย

ทำให้ทั้งสารละลายเย็นลง

แต่ทำไมสสารถึงเปลี่ยนไปเป็นสถานะ
ที่มีแรงยึดอ่อนลง

ไม่ใช่ว่าแรงยึดที่แข็งแรงกว่าก่อนหน้านี้
จะทำให้ของแข็งไม่ละลายน้ำหรือ

นี่เป็นส่วนที่เอนโทรปีเข้ามา

หลักๆ แล้ว เอนโทรปี อธิบาย
ว่าวัตถุและพลังงาน

ถูกทำให้แพร่ออกไป
โดยหลักของการเคลื่อนที่แบบสุ่ม

ถ้าคุณคิดถึงอากาศในห้อง
มันมีการจัดตัวได้มากมาย

สำหรับอนุภาคหลายล้านล้าน
ที่เป็นองค์ประกอบของมัน

บางที่จะมีแต่โมเลกุลออกซิเจน

และอีกที่อาจมีแต่โมเลกุลไนโตรเจน

แต่ส่วนใหญ่แล้วพวกมันจะอยู่ผสมรวมกัน

ซึ่งเป็นเหตุว่าทำไมอากาศ
จึงถูกพบในสถานะเช่นนี้เสมอ

ทีนี้ ถ้ามีแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคมาก

ความน่าจะเป็นของโครงร่างอาจเปลี่ยนไป

แม้จะเป็นจุดที่โอกาสไม่เอื้ออำนวย
ต่อการรวมกันของสสารบางชนิด

น้ำมันและน้ำ ไม่ผสมรวมกัน เป็นตัวอย่าง

แต่ในกรณีของแอมโมเนียม ไนเตรต
หรือสสารอื่นๆในถุงเย็น

แรงผลักไม่มากพอที่จะเปลี่ยนเป็นต่อ

และการเคลื่อนที่อย่างสุ่ม
ทำให้อนุภาคที่ประกอบด้วยของแข็งแยกจากกัน

โดยละลายลงในน้ำ
และไม่กลับมาอยู่ในสถานะของแข็งอีก

เพื่อที่จะให้เข้าใจง่ายๆ ถุงเย็นของคุณ
เย็นขึ้นเพราะการเคลื่อนที่อย่างสุ่ม

เพิ่มการสร้างสัดส่วนซึ่ง
ของแข็งและของเหลวผสมกัน

และทั้งหมดนี้
มีความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคอ่อนกว่า

มีการเคลื่อนที่ของอนุภาคโดยรวมน้อยลง

และมีความร้อนน้อยลง
กว่าภายในถุงที่ไม่เคยถูกใช้

ดังนั้น ในขณะที่ความผิดปกตินี้เกิดขึ้นได้
จากเอนโทรปี

อาจทำให้คุณบาดเจ็บได้แต่แรก

มันยังรับผิดชอบในส่วนการให้ความเย็นสบาย
ที่บรรเทาอาการปวดของคุณ