Chladit se dá i gumičkou. Chce to hodně kroutit

Do roku 1805 se datuje objev fyzikálního jevu, který vám nejspíše do dnešního dne unikal, ale přitom si ho můžete snadno vyzkoušet sami. Vděčíme za něj obyčejné gumě; v době prakticky zcela novému materiálu, který v průběhu 19. století přispěl k technickému a ekonomickému pokroku podobně jako třeba ocel nebo bavlna.

Na samém začátku století, v podstatě v době prvních experimentů s ním, si fyzikové všimli nečekané zvláštnosti: pokud gumu dostatečně natáhnete, ideálně na sedminásobek její klidové délky, tak se ohřeje. Změna sice není nijak ohromná, v podstatě o jednotky stupňů, ale je zcela jasně měřitelná.

Samozřejmě platí i opak: pokud nataženou gumu pustíte, zase vychladne. Při troše snahy si to můžete vyzkoušet sami, doporučujeme přitom přikládat gumičku na ret, ten je na rozdíly teplot extrémně citlivý.

Co se to děje?

Fyzikové děj nazývají elastokalorický proces. Je poměrně dobře známý, popsaný, ale v praxi nepříliš důležitý – i materiáloví vědci přiznávají, že ho znají spíše z učebnic. Většině laiků je zcela neznámý a nejspíše je pro jejich intuici poněkud matoucí: vždyť 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. To je dnes stále trochu módní a vágní slovo, ve fyzice má ovšem samozřejmě přesný význam. V podstatě se tím označuje, jak v daném místě (systému, řečeno fyzikálním žargonem) rozložená energie. Když je energie „rozpuštěná“ po okolí zcela rovnoměrně, je takzvaná termodynamická entropie vysoká. Když je energie 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 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 při kroucení nejprve ohřeje. Když se nechá vychladnout a uvolní se, ochladí (foto: foto: Run Wang a spol.)
Gumové vlákno, které je pro názornost natřené barvou citlivou na teplotu, se při kroucení nejprve ohřeje. Když se nechá vychladnout a uvolní se, ochladí (foto: foto: Run Wang a spol.)

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.

Kroucené chlazení

V tuto chvíli je vám asi jasné, jak je možné využít natahování materiálu k chlazení (či naopak zahřívání, ale to nechejme stranou). Představte si pro jednoduchost například ledničku: umísíte do ní gumičku, 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. Velmi podobně může fungovat například i klimatizace, či jiné systémy.

Pokud byste si dali tu 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: elastokalorický proces.

Pokud ovšem někdo nepřijde s nějakým zajímavým novým nápadem či zlepšením. Přesně to se mělo povést mezinárodnímu (převážně ovšem čínskému) týmu vědců, kteří v září v v časopise Science vydali článek popisující chladicí zařízení založené na elastokalorickém principu s rekordní účinností.

Výzkum je to opravdu hodně raný. Mohli bychom to přirovnat k pokusům o hledání nejvhodnějšího vlákna pro tepelnou žárovku. Na přelomu 19. a 20. století vynálezci, například v Edisonových laboratořích, žhavili nejrůznějších materilů od vousů (opravdu) přes různé kovy, až po nakonec úspěšné uhlíkaté materiály, z nichž se nakonec nejvíce osvědčila bambusová vlákna. Až po několika desetiletích je postupně vytlačila kovová vlákna, která pak převládala až do konce 20. století.

Stejně tak autoři nového výzkumu elastokalorického procesu zkoušeli různé materiály od gumy přes nylon a polyetylenový vlasec až po zinkovo-titanové dráty – a především, nový způsob jejich „pohonuů. Chtěli zjistit, zda není vhodnější (energeticky, ale i také třeba z čistě prostorových důvodů) „gumou“ kroutit, než ji natahovat.

Dnešní lednice s kompresorovým chlazením jsou mnohem účinnější než „chlazení na gumu“ neboli, jak říkají fyzici: elastokalorický proces.

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 okolnímu materiálu.

Co z toho bude?

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. V posledních několika letech se třeba zvyšuje počet prodaných ledniček a mrazáků, které využívají takzvaného magnetického chlazení (magnetokalorický jev).

Magnety vedou

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 například 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 do praxe.

Související články

Vložit komentář...