冰敷袋如何快速降溫? - John Pollard

完整課程請見：http://ed.ted.com/lessons/how-do-cold-packs-get-cold-so-fast-john-pollard

如果你把水放入冰箱中，它須經過好幾個小時才能結成冰塊。那麼，冰敷袋從室溫降到接近冰點為何只需幾秒鐘？John Pollard詳細介紹冰敷袋的化學知識，並詳述熱力學與熵的概念。

課程設計： John Pollard；動畫： Karrot Animation

一旦你拉傷肌肉，受傷發炎痛苦不堪，

你會想用冰敷減緩疼痛，

但使用冰袋，你得在數小時前
把它放入冰箱裡才行。

還好，我們還有其他的選擇，

冰敷袋可以在室溫下保存，
直到你需要它的那一刻，

使用幾秒鐘後就會讓你覺得冰涼，

但是，如何在這麼短的時間內

由室溫降到接近冰點呢？

答案在化學裡。

你的冰敷袋中裝有水和固體化合物，

通常是硝酸銨，袋中物質由屏障分隔。

當屏障被打破，固體遇水溶解，

就會發生吸熱反應，

反應時由周遭環境中吸收熱量，

要了解其工作原理，

我們需要看一下化學反應
背後的兩種驅動力：

熱力學和熵，

這些決定反應發生與否及能量流動情形。

在化學中，熱力學處理粒子與分子層次中

吸引力和排斥力問題。

在這個尺度下，一杯水所含的分子數目

比已知的宇宙星星還多。

這些萬億個分子

以不同的速率不斷移動、振動和旋轉。

我們可將溫度視為這些
運動平均的度量結果。

或者也可代表粒子的平均動能。

粒子運動愈激烈、溫度就越高。

反之亦然。

熱在任何化學變化中的轉換，

取決於在每一種物質在特定化學狀態時，

粒子相互作用的相對強度。

當粒子具有很強的吸引力時，

它們彼此快速靠近到很近的距離，

造成排斥力作用，推開彼此。

如果最初的吸引力夠強大，

粒子將以此方式來回震盪。

吸引力越強大、運動越快，

因為熱的本質就是運動，

當物質狀態改變時，交互作用變得更強，

系統即增溫。

但冰敷袋的情形恰巧相反，

當固體溶解在水中時，

固體粒子與水分子的交互作用

比之前個別單獨存在時弱，

所以平均來看，兩種粒子都變慢了，

所以溶液整體是變冷的。

但為何物質狀態改變時，
交互作用會變弱？

先前存在較強的交互作用力，
是否會使固體無法溶解呢？

這就要用熵來解釋了。

熵基本上是描述物體與能量

隨機動態分布的程度。

如果你考慮房間裡的空氣，

億萬個分子會有許多
可能的相異位置分布情形，

其中可能一個區域中都是氧分子，

另一個區域中都是氮分子，

但更可能是兩者混在一起，

這就是為什麼找到的空氣總是這種狀態。

現在，如果兩種氣體分子間
有很強的吸引力，

氣體分子分布的情形就會改變了，

甚至有某物不喜歡
與他種物質相混合的地步。

油和水不相互混合就是一個例子。

但硝酸銨或者冰敷袋內容物的情形，

吸引力未強大到不溶於水，

再者，隨機運動使得顆粒組成的固體

因溶解到水中而分離，
且再也無法回復到固體的狀態。

簡單來說，你的冰敷袋會變冷，

源自於固體和水混合時，
隨機運動使粒子分布情形變得雜亂，

這些都讓粒子交互作用變得更弱，

整體粒子的運動更少了，

具有比未混和前較少的熱能。

因此來自熵的混亂，

也許先前造成你的傷害，

但也很盡責的藉低溫減緩你的疼痛。