شرح الفصل الثامن التبريد

[الاستاذ محمد الطنطاوى]

الفصل الثامن [ فيزياء درجات الحرارة المنخفضة ( التبريد ) ] CRYOGENICS

علم التبريد
هو العلم الذي يهتم بدراسة درجات الحرارة المنخفضة التي تقترب من الصفر المطلق ( -273 Co ) والمقياس المستخدم لدرجات الجرارة المنخفضة هو مقياس كلفن أو مقياس درجة الحرارة المطلقة والذي يركز على سلوك الغاز المثالي Cryogenics علم فيزيائي يختص بدراسة خواص المواد في درجة حرارة منخفضة تقترب من الصفر المطلق وعلم ال Cryobiologyعلم الإحياء في درجات الحرارة المنخفضة .. ودراسة أثر البرد على الأعضاء المهمة كالقلب والكلى . معلومة إثرائية
من العلوم الحديثة التي برزت في القرن العشرين علم الـ Cryogenics وهذه الكلمة مشتقة من كلمة إغريقية تعنى Productive of cold أي الإنتاج بالتبريد.
إن التبريد المرتبط في أذهاننا هو التبريد الكلاسيكي عن طريق وضع قطع من الثلج لتبريد ماء أو ما يضخ من برودة بواسطة الثلاجات. أن علم الـ Cryogenics هو ذلك العلم الذي يتعامل مع المنتجات فى درجات الحرارة المنخفضة وتلك التي تكون اقل من 150 درجة مئوية تحت الصفر.
من نتائج التجارب التي أجراها العالم كلفن عام 1900 على الغازات وجد إن كل الغازات يقل حجمها بالتبريد إلى أن تصل إلى 273 درجة مئوية تحت الصفر، وهى درجة الصفر المطلق، وعندها يتلاشى الحجم. كثيرا من الظواهر الغريبة تحدث للمواد عند درجات الحرارة المنخفضة فمثلا المطاط يتقصف إلى شظايا كما يحدث للزجاج. كذلك الرصاص يصدر رنينا كالجرس، أما الهواء فيتجمد على هيئة بلوكات كبيرة. ومن الظواهر الغريبة التي تحدث أيضا هو superfluidity وتعنى ما فوق الانسياب، فمثلا عند إسالة الهليوم ووضعه فى إناء مفصول بحاجز زجاجي فإن سائل الهليوم سينساب خلال الزجاج حتى يتساوى سطحيه على كلا الجانبين. يعتبر الهليوم السائل وسط مهم جدا في هذا العلم حيث يعتبر من الغازات الخاملة الغير قابلة للاشتعال وهو آخر عنصر تمت إسالته عام 1908، ومنح العالم Prof. Heike.Kamerlingh Onnes جائزة نوبل لسنة 1911 لنجاحة فى إسالة الهليوم، لقد طبق علم الـ Cryogenics في عدة مجالات منها مجال الطب حيث لم يكن من الممكن الاحتفاظ بدماء الإنسان لأكثر من ثلاثة أسابيع فقط ولكن باستخدام الطرق الحديثة أمكن الاحتفاظ بالدم لمدة تصل عدة اشهر أو سنوات، وكذلك الحال في حفظ خلايا النخاع. هذا العلم أعطى مزايا عديدة في العمليات الجراحية حيث يتم استئصال الأورام السرطانية بأقل كمية فقد للدماء عن طريق تجميد هذه الأورام. إن تطور هذا العلم أعطى فائدة عظيمة للاحتفاظ بالمواد الغذائية لمدة طويلة

غاز فان در فالز

كيف يمكن إسالة الغازات ؟
من فروض نظرية الحركة للغازات [ إهمال قوى التجاذب بين جزيئات الغاز وبعضها البعض وإهمال حجم جزيئات الغاز مقارنة بحجم الإناء ]
بما أن خواص الغاز الحقيقي تختلف عن خواص الغاز المثالي كلما ازدادت كثافته نتيجة ظهور تبادل تأثير الجزيئات المختلفة على بعضها البعض
تأثير فان در فالز : هو التأثير المتبادل بين الجزيئات المختلفة
هذا التجاذب بين الجزيئات يؤدي إلى تكثف الغاز ليصبح سائلا تحت الضغط العالي
بزيادة الضغط يحدث تفاعل فان در فالز بين جميع الجزيئات حيث يتجاذب جزيئين نتيجة اقتراب بعضهما من بعض ويتتابع اجتذاب جزيئات أخرى إليهم وهكذا إلى أن يتم انتقال المادة إلى الحالة المكثفة سواء السائلة أو للحالة الجامدة ]

آلية الحصول على درجات الحرارة المنخفضة
السيولة الفائقة Superfluidity
قارورة ديوار Dewar's Flask
عمل الثلاجة
ظاهرة التوصيل الكهربي الفائق
آلية الحصول على درجات الحرارة المنخفضة
كيف نصل إلى درجات الحرارة المنخفضة جدا ؟
يتم التوصل إلى درجات الحرارة المنخفضة جدا بواسطة سحب الطاقة من المادة
ولكن ما هي الآلية التي يتم بها ذلك ؟
يتم ذلك بواسطة ملامسة المادة بمادة أخرى مبردة مسبقا عند درجة حرارة منخفضة جدا
أريد أمثلة لهذه المواد التي يمكن أن نستخدمها لتبريد المواد الأخرى ؟

الثلج العادي
الثلج الجاف [ ثاني أكسيد الكربون المثلج ]
الهواء المسال
ولكن يا أستاذي الكريم ما تفسير ذلك ؟
من مفهوم الحرارة الكامنة لتبخر السائل إلى الحالة الغازية أن الغاز المسال يسحب طاقة حرارية من المادة الملامسة له حتى يعود إلى طبيعته الغازية وينتج عن ذلك انخفاض في درجة حرارة المادة التي نريد تبريدها

السيولة الفائقة Superfluidity

ما السيولة الفائقة ؟
السيولة الفائقة هي قدرة بعض الغازات المسالة على التدفق دون مقاومة عند درجة حرارة تقترب من الصفر المطلق
أستاذي الفاضل هل تشبه هذه الخاصية خاصية الموصلية الفائقة ؟
نعم
أريد مثالا للتوضيح ؟
سائل الهليوم في درجات الحرارة المنخفضة له خاصية السيولة الفائقة حيث تتلاشى لزوجته كليا وينساب لأعلى دون توقف على جوانب الوعاء الحاوي له مهملا قوى الاحتكاك والجاذبية حيث يتميز سائل الهيليوم بحرارة نوعية منخفضة ويعتبر من أفضل الموصلات الحرارية