Neděle 29. listopadu 2020, svátek má Zina
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Neděle 29. listopadu 2020 Zina

Lednička na zamotaný drát? Fyzici vylepšili netradiční systém chlazení

Že byste mohli chladit jen s pomocí natahované či uvolňované gumy, zní možná nesmyslně. Jde však o dobře známý fyzikální jev – ovšem zatím příliš „slabý“ pro praktické použití. Skupina vědců publikujících v prestižním časopise Science nyní doufá, že jejich objev to změní.

Připravena chladit. Obyčejná guma mění při natahování a smršťování teplotu díky entropii - veličině, kterou jinak na vlastní kůži jinak těžko poznáte. | foto: Run Wang a spol.

Dnes začneme neslušným návrhem. Vezměte si gumičku (nám se osvědčila i slaboučká gumička, která se vyskytuje v každém kuchyňském šuplíku), natáhněte ji tolik, kolik jen si troufnete, a přiložte ke rtu. Chvíli ji nechejte nataženou, pak uvolněte a znovu ji „změřte“ přiložením ke rtu.

Pokud se vám zdálo, že po smrštění byla gumička studenější než před ním, blahopřejeme, vaše výsledky se shodují s našimi. A také nebude nutné překopávat základy fyziky, protože přesně tento výsledek experimenty dávají nejméně od roku 1805 a dnešní teorie už ho také dokonale vysvětlují a popisují.

Abychom byli úplní: gumička se při natažení zahřívá, při smrštění pak ochlazuje. My jsme vyzdvihli zchlazení, protože podle našich empirických zkušeností se snáze vnímá – ale třeba budete mít jiný pocit. Pro naši intuici to může být poněkud matoucí zážitek: všichni víme, že stlačovaný plyn se zahřívá. Proč se gumička naopak při natahování zahřívá, a když ji pustíte, tak se ochladí?

Zdánlivě protichůdné jevy mají stejné vysvětlení: jde o projev změny entropie, tedy míry rozložení energie v daném místě (systému, řečeno fyzikálním žargonem). Když je energie „rozpuštěná“ po okolí zcela rovnoměrně, je takzvaná termodynamická entropie vysoká. Když je rozložená nerovnoměrně, je entropie nízká. 

Pokud tedy, dejme tomu, vezmete kompresor a část vzduchu z vašeho okolí natlačíte to nějaké nádoby, entropie ve vašem okolí se sníží. Část plynu jste totiž „srovnali“ do tlakové nádoby – což si ovšem vesmír nechce nechat líbit. Snížení entropie si vykompenzuje tím, že se zvýší teplota plynu – všechno proto, aby celková energie systému zůstala zachována. 

V natažené gumičce se děje totéž, co ve stlačeném plynu – snižuje se „chaos“, tedy entropie. Molekuly gumy za běžného stavu jsou zamotané a míří všemi směry. Po natažení se srovnají ve směru natažení, „chaos“, tedy přesněji řečeno entropie, se sníží. Stejně jako v případě stlačeného plynu se v kompenzaci zvýší teplota. Při puštění gumy se situace obrátí: entropie se zvýší, teplota tedy sníží.

Gumové vlákno, které je pro názornost natřené barvou citlivou na teplotu, se...

Gumové vlákno, které je pro názornost natřené barvou citlivou na teplotu, se při kroucení nejprve ohřeje. Když se nechá vychladnout a uvolní se, ochladí se.

Nebudeme zabíhat na tomto místě do fyzikálních podrobností, a tak nám musíte bohužel prostě věřit, že to tak je. Existují různá přirovnání, která entropii přibližují, ale žádné ji nevystihuje úplně dobře. Entropii také nemůžete zažít na vlastní kůži; nemá žádný fyzický ekvivalent; není jako teplota ani tlak, a tak je těžko představitelná. V rovnicích ovšem vychází zcela přirozeně, funguje skvěle a výsledky měření v reálném světě pak dávají výsledky přesně podle nich. (Ostatně, s tím, že svět prostě není pochopitelný jen „selským rozumem“ bez nějaké snahy navíc, jste se asi už smířili.) 

Teď se asi ovšem již ptáte, co má toto poučování společného s ledničkou z titulku. Dovolte, abychom vám předem poděkovali za trpělivost a přešli konečně k věci.

Zatočte ji, ať chladí

V tuto chvíli je vám asi jasné, jak je možné využít natahování materiálu k chlazení (či naopak zahřívání, ale to nechejme stranou). Postavíte ledničku s gumou, která se při smrštění ochladí. Tím „vytáhne“ teplo z chladící kapaliny, která pak zamíří do chladícího prostoru. „Guma“ se pak může znovu natáhnout, nechat natažená, až zchladne (a zahřeje tedy vzduch v kuchyni, jak chladící mřížka na vaší dnešní ledničce). Pak můžete cyklus opakovat: načerpáte chladící kapalinu ke gumě, pustíte ji, aby se ochladila, a tak dále.

Jak byste zjistili, kdybyste si dali práci a takový systém postavili, není to ovšem žádné terno. Dnešní lednice s kompresorovým chlazením jsou mnohem účinnější než „chlazení na gumu“ neboli, jak říkají fyzici, na takzvaný elastokalorický proces.

Pokud ovšem někdo nepřijde s nějakým zajímavým novým nápadem či zlepšením. Přesně to se mělo povést mezinárodnímu (převážně ovšem čínskému) týmu vědců. V posledním čísle časopisu Science vydali článek popisující chladicí zařízení s rekordní účinností založené na změně teplot při změně tvaru.

Výzkum je to opravdu hodně raný. Mohli bychom to přirovnat k pokusům o hledání nejvhodnějšího vlákna pro tepelnou žárovku. Autoři tedy zkoušeli různé materiály (od gumy přes nylon a polyetylenový vlasec až po zinkovo-titanové dráty) a také, jaký je nejúčinnější typ jejich namáhání. Především chtěli ukázat, že mnohem vhodnější (energeticky, ale i také třeba z čistě prostorových důvodů) je lepší „gumou“ kroutit, než ji natahovat. 

Zvláště u některých materiálů byl rozdíl dosti významný: zdá se, že pokud má elastokalorické chlazení nějakou budoucnost, bude zřejmě právě v kroutivém pohybu. Změna teploty na povrchu gumového vlákna byla zhruba 20krát vyšší než při natažení stejnou silou. V případě nylonu byla teplotní změna na povrchu vlákna při kroucení 50krát větší než při natahování. Nylon ovšem není nijak „výkonný“ materiál, jde tedy o významný relativní nárůst, ne ovšem absolutní rekord – ten drží právě gumová vlákna.

Z hlediska praktického využití pak dávaly zajímavé výkony zinkovo-titanové dráty, které jsou velmi odolné a mají vysokou životnost. A navíc mohou rychle předávat teplo okolí, protože ho dobře vedou.

Kuriozita, nebo něco víc?

Ovšem přes nespornou zajímavost je zatím těžko předpokládat, že by vaše příští lednice byla na „gumičku“ – byť některá média tak výzkum minimálně v titulku „prodávala“ (včetně samotného časopisu Science v jeho zpravodajském článku).

Účinnost je sice z hlediska dosavadních výsledků v oboru zajímavá, ale nedosahuje úrovně dnešních kompresorových systémů. Navíc systém chlazení založený na elastokalorickém jevu by z podstaty musel obsahovat celou řadu pohyblivých dílů a lze tedy předpokládat, že by se sotva obešel bez poruch. Což by samozřejmě případnou údržbu jen prodražilo a zkomplikovalo.

Jak si asi také dokážete představit, problém může snadno představovat i únava materiálu. Chladicí dráty by musely za dobu životnosti lednice projít ohromným počtem cyklů „zamotávání“ a uvolňování. Autoři nového výzkumu použili sice slitinu s příměsí titanu, který se za vhodných podmínek téměř „neunavuje“. Ale je otázkou, zda systém s takovým materiálem může cenově konkurovat. A zda lze případně za titan najít vhodnou náhradu.

Zajímavé by mohlo být ovšem použití, které zmiňují autoři v samotné práci. Jev by se podle nich mohl využívat v „chytrých“ textiliích, ve kterých by změna teploty zakroucených vláken mohla například vyvolat změnu barvy.

Ovšem velkou revoluci v chladicí technice těžko předpokládat. Což neznamená, že se naše ledničky nebudou měnit a do budoucna nebudou využívat nějakých nových, pro nás laiky „exotických“ jevů. Zdá se, že trendem blízké budoucnosti budou totiž chladící zařízení, která využívají takzvaného magnetického chlazení (magnetokalorický jev).

Magnety jsou silnější

Podstata je podobná jako u jevu elastokalorického. Teplota materiálu se však nemění při kroucení či natahování, nýbrž v závislosti na okolním magnetickém poli. Nějaké změny teplot se projevují prakticky na všech magnetech, ale postupně se daří objevovat nové látky, ve kterých jsou změny výraznější.

V roce 2014 byl oznámen objev třídy materiálů, u kterých jsou změny teplot obří (to je v tomto případě terminus technicus, hovoří se o takzvaném obřím či gigantickém magnetokalorickém jevu). Jde o některé slitiny gadolinia, tedy kovu ze skupiny kovů vzácných zemin (patří mezi lanthanoidy).

Nyní se zdá v podstatě jisté, že tento typ chlazení bude stále rozšířenější a nakonec převládne. Má jasné výhody: chladicí systémy na tomto principu mohou být malé, účinné a jednoduché. To zatím „gumičkové“ chlazení o sobě rozhodně říci nemůže.

Ovšem právě příklad „magnetického chlazení“ také ukazuje, že objev nové skupiny látek s novými vlastnostmi může počty poměrně výrazně změnit, a tak v tuto chvíli nedokážeme říci, zda lednička na pružinu skutečně zůstane spíše vědeckou kuriozitou, nebo si nakonec v nějaké podobě najde cestu třeba i k nám domů.

Autor:
  • Nejčtenější

Tahák: 20 klávesových zkratek, o nichž jste možná neměli ani potuchy

Uživatelé Windows jistě znají notoricky známé klávesové zkratky jako Alt + F4, Alt + Tab, Windows + E, Windows + C,...

Promoření? Odvážný sen, tragické následky. Stádní imunita funguje jinak

Jak se nejlépe zbavit covidu-19? Už od jara mluvili někteří odborníci o kontroverzní strategii známé jako „promořování“...

Toto umí nově váš Chrome a Firefox. Loučí se s Flashem a jsou rychlejší

Populární internetové prohlížeče Chrome a Firefox byly povýšeny do nových verzí. Pokud jste je ještě neaktualizovali,...

Měli lepší stroje Sověti, nebo Američané? O jednom neobyčejném souboji

Premium Když autu dojde palivo těsně před čerpací stanicí, můžete ho k ní dotlačit. Ale co dělat, když se totéž stane letadlu...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

TEST televizorů: Nevyznáte se v široké nabídce? Pomůže vám náš velký přehled

Premium Od 3 190 do 62 990 korun. Všechny zobrazovací technologie, všechny televizní operační systémy a jedenáct vybraných...

Den se zaměstnanci pohřební služby: poslední rozloučení má dnes jiná pravidla

Premium MF DNES rozptyluje mýty o pohřebnictví v době koronaviru. Pohřeb do země možný je, i když se úplně nedoporučuje. O čem...

Jak vydržet v ledové vodě? Finta je jednoduchá, popisují otužilci

Premium Klepat se zimou tak, že si nedokážete zavázat ani tkaničky u bot, a přitom se tomu smát? I to dokáže koupání v ledové...

Miliardář Dědek o Pardubicích, krizi, (ne)fungování extraligy i Jágrovi

Premium Jeho jmění se odhaduje na čtyři miliardy korun, podle magazínu Forbes je 54. nejbohatší Čech. Na přelomu roku se Petr...

  • Další z rubriky

Počet úmrtí bude letos kvůli covidu rekordní, potvrzují nová ověřená data

Český statistický úřad zveřejnil ověřené údaje o počtu úmrtí do poloviny října 2020. Data potvrzují to, co vyplývalo i...

Jak se „první vlna“ epidemie porovnává s druhou. A zaděláme si na třetí?

V souvislosti s šířením onemocnění covid-19 v České republice se běžně hovoří o „první, jarní vlně epidemie“ a o...

STO OBJEVŮ: Tajemství Pacifiku objevila mořeplavecká legenda. James Cook

Seriál Jako první Evropané k Tichému oceánu dorazili v 16. století Španělé. Ale muž, který je nejvíce spojen s Tichomořím, se...

Pozor na rudé oči, pilote. Jak pěšáci konečně dosáhli na letadla

Díky americkému zařízení FIM-43 Redeye dokázal poprvé v historii pěšák jediným výstřelem zničit letadlo. Vzniklo přitom...

SOUTĚŽ: Vyhraj luxusní balíček fitness jídel v hodnotě 1 499 Kč
SOUTĚŽ: Vyhraj luxusní balíček fitness jídel v hodnotě 1 499 Kč

Sportuješ a ráda se hýbeš? Chceš svou snahu zefektivnit i vhodným jídelníčkem, ale nevíš, jak na něj? Nyní máš jedinečnou příležitost vyhrát...

Jsem znechucená, říká Eva Burešová, kterou vyfotili s Forejtem z MasterChefa

Eva Burešová (27) a Přemek Forejt (33) byli společně vyfoceni, jak vycházejí z domu, kde herečka bydlí. Hvězda seriálu...

Ordinace v růžové zahradě za půl roku skončí, co seriál nahradí?

Po více než patnácti letech od okamžiku, kdy padla první klapka, začal tvůrčí tým seriálu Ordinace v růžové zahradě 2...

Příběh Denisy: Manžel mě ignoruje, mám dva milence

S manželem jsme svoji osm let, máme dvě děti. S tím mladším jsem teď doma. Muž je věčně v práci a na nás nemá čas....

Tahák: 20 klávesových zkratek, o nichž jste možná neměli ani potuchy

Uživatelé Windows jistě znají notoricky známé klávesové zkratky jako Alt + F4, Alt + Tab, Windows + E, Windows + C,...

Kapitán je na tahu, bude šach mat, oznámil po líbánkách Pavel své ženě

Psycholožka, terapeut a genetička vybrali na základě testů i DNA mezi více než patnácti sty přihlášenými jednotlivci...