Otkrivena krutina koja se tlačenjem - hladi

Da se plinovi sabijanjem zagrijavaju (adijabatska kompresija), a širenjem hlade (adijabatska ekspanzija) zna svatko tko je pumpao gumu od bicikla (prvi slučaj), a za drugi slučaj, eh za drugi slučaj…

Piše: Nenad Raos | Bug.hr.

Da se i ovo drugo događa zna pak onaj tko je naglo otvorio bocu protupožarnog aparata za električne instalacije (onaj s plinom, ne s prahom), pa mlaz ugljikova dioksida usmjerio prema tkanini, krpi ili kaputu. Na njoj se stvorilo inje, no to nije bilo inje od vode nego od ugljikova dioksida, koje može postojati tek na temperaturi nižoj od -78,5 oC. To inje ne može se okom razlikovati od onoga pravog, zimskog, no pri zagrijavanju od njega ne nastaje nikakva tekućina, ponajmanje voda. Zato se i zove – suhi led.

Na tim se pojavama, pojavama adijabatske kompresije i ekspanzije temelji rad praktički svih uređaja za hlađenje, od hladnjaka i ledenice u našoj kuhinji do klima-uređaja u našem uredu i našem automobilu. Plin se najprije sabije, a potom se zračnim hladilom ohladi na sobnu temperaturu. Potom stlačeni plin ekspandira i pritom se ohladi – i tako uokrug. I sve bi bilo lijepo da nije plina koji se sabija i širi.

Riječ je o freonu, što nije ništa drugo nego trgovačko ime za fluorklorugljike, spojeve – samo im ime kaže – fluora, klora i ugljika (npr. CF2Cl2 je freon 12, a CCl3F freon 11). Freoni uništavaju ozonski sloj u stratosferi, pa se u posljednje vrijeme nastoje zamijeniti nečim bezopasnijim, spojevima koji u molekuli imaju i vodik (fluorirani i klorirani ugljikovodici). No nisu ni oni bez mane. Iako ne razaraju ozonski sloj, podižu temperaturu Zemljine atmosfere.

„U slučaju istjecanja 1 kg rashladne tekućine u atmosferu, njezin bi utjecaj na globalno zagrijevanje bio 2088 puta veći od utjecaja 1 kg CO2 u razdoblju od 100 godina“, piše u tehničkoj knjižici moga klimatizacijskog uređaja. Konkretno, riječ je o rashladnom sredstvu R-410A, kemijske formule CHF2CF3. Možemo li izbjeći toj tužnoj sudbini – i napraviti hladnjak bez plina?

Takav bi se uređaj zaista mogao pojaviti u našim trgovinama uspiju li znanstvenici tehnološki iskoristiti pojavu o kojoj su objavili, u ožujku ove godine, članak u vrhunskom znanstvenom časopisu Nature pod bombastičnim naslovom: „Colossal barocaloric effects in plastic crystals“ (Kolosalni bakokalorični efekti u plastičnim kristalima). No nije samo naslov i efekt kolosalan, nego je i ime efekta kolosalno, jer su mu pridjenuli kraticu CBCE, dakle colossal barocaloric effect. Zbog čega?

Barokalorični efekt znači da se kruta tvar tlačenjem hladi. Taj je pojava odavno poznata, zapažena je i kod obične gume, no efekt koji koji su autori članka (23 znanstvenika iz Kine, Japana, Tajvana, Sjedinjenih Država i Australije) istraživali najmanje je deset puta veći nego u drugim tvarima. Riječ je o kristalima neopentil-glikola (NPG), dvovalentnog alkohola sustavnog imena 2,2-dimetil-1,3-propandiol i formule (CH3)2C(CH2OH)2. Kada se kristali te praktički bezopasne i nimalo neobične kemikalije podvrgnu tlaku od 45 MPa, ohlade se za 50 oC. Zašto?

Riječ je da su kristali NPG, kako u naslovu rada piše, plastični, ili – znanstveno ispravnije – pripadaju skupini distordiranih krutina. Kristal ne može postojati, uči se u kristalografiji, ako čestice (atomi, ioni ili molekule) nisu u njemu pravilno raspoređene. Tako je i u kristalu NPG. U jediničnoj ćeliji ima simetrično raspoređene četiri molekule, no taj „simetrični raspored“ odnosi se samo na njihove centre masa.

Kada se međutim kristal stlači on prelazi u uređeniju strukturu. A kada nešto prelazi iz stanja nereda u stanje reda (entropija sustava pada) za to treba utrošiti energiju, a utrošena energija u ovom slučaju upravo je unutrašnja energija sustava (kristala). Rezultat: kristal se adijabatski hladi kada ga se tlači (ili crpi toplinu iz svoje okoline ako mu temperatura ostaje nepromijenjena).

Precizna su kalorimetrijska mjerenja pokazala da maksimalni pad entropije tlačenjem iznosi 389 J kg-1 K-1 uz temperaturu prijelaza blisku sobnoj (40 oC). Još su veću promjenu entropije izmjerili kod kristala AMP (2-amino-2-metil-1,3-propandiol), od čak 629 J kg-1 K-1, no do nje dolazi pri višem tlaku i temperaturi (150 oC). Stoga je primjena tog spoja, barem što se tiče uređaja u kućanstvu, neprikladna.

I što sad? Hladnjak s krutim hlađenjem ne bi imao plin, ali bi ipak trebao imati motor za pokretanje tekućina. Nešto bi, najbolje voda, trebalo prenositi toplinu u blok i iz bloka za hlađenje, a morao bi postojati i uređaj za tlačenje, možda najbolje s uljem, na principu hidraulike. Sve skupa nimalo jednostavno. Još ćemo se dakle načekati…