Túi chườm đá làm lạnh cực nhanh như thế nào? - John Pollard

Xem bài đầy đủ tại: http://ed.ted.com/lessons/how-do-cold-packs-get-cold-so-fast-john-pollard

Nếu bạn cho nước vào tủ đông, sẽ mất vài giờ để chúng đông lại thành đá. Vậy làm thế nào để túi chườm đá có thể từ nhiệt độ phòng trở thành gần đông đá chỉ trong một vài giây? John Pollard từ những chất hoá học trong túi chườm đá, làm sáng tỏ khái niệm của năng lượng học và nhiệt động lực học.

Bài học từ John Pollard, minh hoạ bởi Karrot Animation

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.