Někdo to rád studené

Někdo to rád studené

Učitelství / článek

Čistě fyzikální pojem entropie si postupem času přivlastnily další vědní obory, třeba informatika nebo sociologie. Často se tak objevuje v souvislostech, které z něj činí něco neurčitě tajemného. Přitom fyzik se k entropii obrací ve chvíli, kdy chce zažít něco konkrétně příjemného. Třeba popít chlazené nápoje.

Zhruba v polovině 19. století zavedl německý fyzik Robert Clausius entropii jako makroskopickou míru využitelnosti energie systému. Lapidárně řečeno, příroda se donutí k práci jenom v těch systémech, které mají nízkou entropii. A zároveň sama směřuje k tomu, aby byla entropie co nejvyšší. Známe to z vlastní zkušenosti. Horký čaj vychladne jen na teplotu svého okolí (původně nízká entropie daná velkým rozdílem teplot se přirozeně zvýší a teploty se vyrovnají).

O něco později nabídl Ludwig Boltzmann jemnější statistický pohled a určil, že entropie v uzavřeném systému s pevným objemem a daným počtem částic souvisí s počtem způsobů, jakými je možno tento systém v daných podmínkách uspořádat.

Entropii nelze žádným způsobem obejít a touha po chlazených nápojích je krásným příkladem boje s tímto přírodním jevem.

O samochladicím soudku

Ve starším českém filmu protagonisté konstatují, že „nejlepší je právě to ze sedmého schodu, ze šestého je teplé, z osmého už přechlazené“. Prostě rádi pijeme chlazené nápoje všeho druhu bez ohledu na roční období. Je to přitom do značné míry kulturně a dobově podmíněný fenomén.

Anglický „ale“ v britské hospodě nám připadá teplý, protože má být vychlazený na 16 °C, zatímco české světlé pivo má mít jen kolem 4 °C. V 19. století měla však každá slušná pivnice v zásobě množství ohříváčků a mnohý štamgast měl ten svůj. Byly to duté ocelové válečky zavěšené uvnitř půllitru, do kterých se nalila teplá voda. Pivo se tak ohřívalo a citlivějším konzumentům nehrozilo nastuzení.

Móda vysoce chlazených nápojů se však naplno prosadila až s příchodem syntetických limonád, které jsou za tepla v podstatě nepoživatelné. Jejich tržní úspěch šel ruku v ruce se zdokonalováním chladírenských zařízení. Ledové nápoje se proto pro nás staly v průběhu 20. století normou, jež přetrvává dodnes.

Kdo nemá sklep s tím správným schodem nebo horskou bystřinu, musí se spolehnout na techniku. Zajímavý a inovativní způsob chlazení se používá už 20 let v samochladicím pivním soudku. Ačkoli na první pohled vypadá jako z pohádky, funguje přesně podle výše popsaných principů.

Základem tohoto vynálezu byla disertační práce P. K. Maiera-Laxhubera „Sorptionswärmepumpen und Sorptionsspeicher mit dem Stoffpaar Zeolith – H2O“, se kterou úspěšně promoval v oboru fyzika v roce 1983.

I v tomto případě jde (jak jinak) o změnu entropie. K té dochází odpařováním vody do vakua. Při změně skupenství z kapalného na plynné se zvyšuje entropie systému a energie ve formě tepla, které je k tomu potřebné, se odebírá z uskladněného piva. Tím v důsledku teplota nápoje klesá.

A jak je konkrétně soudek konstruovaný? Vnitřek sudu A (viz obrázek), ve kterém je pivo, je obklopen nasákavou vrstvou (např. vatou) napuštěnou vodou (vrstva B). Kolem ní je další vrstva C, která obsahuje zeolit nebo jiné molekulární síto.

Zeolity jsou krystalické hlinitokřemičitany, které adsorbují vodu v množství odpovídajícím až 40 % suché hmotnosti látky. Při zvýšení teploty mohou tuto vodu opět uvolnit. Je to dáno jejich strukturou, kterou tvoří „lešení“ ze čtyřstěnů, jejichž stavebními kameny jsou radikály (AlO4)5- a (SiO4)4-. Atomy hliníku a křemíku jsou mezi sebou spojeny atomy kyslíku.

Zeolit má proto mnoho pravidelně uspořádaných pórů, ve kterých se voda zachycuje. Zeolitů je mnoho druhů, vyskytují se jak v přírodě, tak je lze průmyslově vyrobit. Při adsorpci a opětovném uvolňování vody se chemické složení zeolitu nemění.

Vrstvy B a C obklopující samotný vnitřek soudku jsou evakuovány. Vrstva B má však zbytkový tlak, který je o něco vyšší než parciální tlak vody (parciální tlak vody při teplotě 20 °C je pouhých 23,4 hPa), vrstva C je evakuována podle technických možností co nejlépe. Parciální tlak je tlak páry, která se v uzavřeném systému vyskytuje nad hladinou kapaliny, pokud jsou obě fáze v rovnováze. Znamená to tedy, že ve vrstvě B je voda v kapalném skupenství. Spojí-li se prostory B a C otevřením ventilu D, sníží se náhle tlak v prostoru B (vyrovnání tlaků). Tlak v této vrstvě klesne pod parciální tlak vody a ta se z B začne vypařovat. Takto vzniklou vodní páru adsorbuje v prostoru C zeolit.

Rovnovážný stav se proto neustaví okamžitě, tlak zůstane pod hodnotou parciálního tlaku a voda se musí dále vypařovat. Vodní pára má zhruba tisíckrát větší objem než voda v kapalném skupenství, proto je nutné adsorbovat velké množství vodní páry, aby bylo chlazení dostatečné. Energie potřebná k přeměně vody ve vodní páru musí být odebrána pivu v prostoru A. Jev je tak mohutný, že část vody ve vrstvě B může dokonce zmrznout. Během 30 minut tak vychladíte třicetilitrový soudek a pivo v něm vydrží studené 12 hodin (pokud ho ovšem společnost dříve nevypije).

Výrobci soudky recyklují. Pomalu a dosti dlouho zahřívají vrstvu zeolitu a vodní pára přitom unikne. A samozřejmě je třeba nejen znovu napustit vrstvu B vodou, obnovit vakuum ve vrstvách B a C, ale také naplnit vnitřní objem A!

Neodporuje to jednomu ze základních zákonů termodynamiky, že „v uzavřeném systému entropie nikdy neklesá, buď roste, nebo zůstává konstantní“? Samochladicí soudek není uzavřený systém z hlediska termodynamiky, lze mu při recyklaci dodávat energii. Pivovary se tedy fyzice nezpronevěřují.

Mimochodem, tato druhá hlavní věta termodynamiky zavádí do fyziky uzavřených systémů šipku času, protože při rostoucí entropii se jedná o procesy nevratné, zatímco vratné jsou jenom ty, při kterých se entropie nemění.

Nadějné barokalorické chlazení

Samochladicí soudek je určitě elegantní aplikací termodynamických jevů a s entropií pracuje velmi vynalézavě, ovšem pro trvalé chlazení se nehodí. A v této oblasti je velký prostor pro inovace.

Většina chladniček nebo klimatizačních jednotek totiž zatím používá médium, které se opakovanou expanzí a stlačováním nachází střídavě v plynném nebo kapalném skupenství. Tím se mění entropie v celém systému. V daném objemu jsme schopni ji uměle snižovat za cenu neustálého dodávání energie. Podobně se musí ze zeolitů samochladicího soudku po použití uvolnit zachycená vodní pára, což vyžaduje dodání dalšího tepla.

Bohužel, jako chladicí média se většinou používají poměrně agresivní látky, které při náhodném úniku přispívají k narušování ozonové vrstvy či globálnímu oteplování. Navíc je reálná účinnost těchto zařízení dosti malá.

Účinnější alternativu nedávno publikovali vědci v časopisu Nature. Nové chladicí technologie chtějí založit na kalorických jevech v pevných látkách. V běžných materiálech jsou však tyto jevy jen slabé a změny entropie jsou malé.

Autoři však publikují tzv. ohromné barokalorické jevy (jevy spojené se změnou teploty při fázových změnách vyvolaných tlakem) ve skupině strukturně neuspořádaných pevných látek zvaných plastické krystaly. Změny entropie dosahují v jedné z nich – neopentylglykolu – úctyhodných 389 J.kg−1.K−1 v okolí pokojové teploty.

Plastické krystaly jsou tvořeny slabě interagujícími molekulami, které mají některé orientační nebo konformační stupně volnosti. V článku je popsáno, že těsně pod pokojovou teplotou tvořily tyto molekuly neuspořádanou strukturu. Při stlačení materiálu tlakem převyšujícím tisíckrát barometrický tlak se molekuly uspořádaly do krystalické struktury, entropie se významně zmenšila a látka se ohřála uvolněným teplem.

Vědci toto teplo odvedli, tlak uvolnili, struktura se vrátila do neuspořádaného stavu, entropie se zvýšila a materiál se ochladil až o 50 stupňů. Než se objeví chladničky s tuhým chladivem nebo bude barokalorický jev využit při chlazení počítačů, je třeba mimo jiné vyřešit jeho časovou stabilitu v dlouhých obdobích, a tím zabránit klesající účinnosti efektu.

Pevné médium by omezilo rizika spojená s provozem i likvidací chladicích zařízení a díky vyšší účinnosti zároveň snížilo jejich spotřebu.

Původní zdroje:

Welt der Physik: Kühlen mit Kristallen. Welt der Physik: Startseite [online]. Copyright © Wissenschaft aktuell [cit. 29.10.2019]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2019/kuehlen-mit-kristallen/

Bing Li et al: Colossal barocaloric effects in plastic crystals. Nature 567 (2019) 506-510

Selbstkühlendes Bierfass – Wikipedia. [online]. Dostupné z: https://de.wikipedia.org/wiki/Selbstk%C3%BChlendes_Bierfass


Mohlo by vás také zajímat:

Materiály testované vesmírem
Třesky blesky
Fyzika ve sklenici

Tento článek jsme automaticky naimportovali z předchozího redakčního systému. Pokud se v něm něco pokazilo, dejte nám prosím vědět.