Coś na ochłodę

Doświadczenie 1

Czysty flakonik do perfum lub środków dezynfekujących napełnij spirytusem (95-procentowy alkohol etylowy). Spryskaj alkoholem termometr (jeśli będzie to termometr cieczowy, to w szczególności zbiornik z płynem) i go obserwuj.

Wyjaśnienie: Zmiany fazowe – parowanie, topnienie czy sublimacja – wymagają energii. Parujący alkohol powoduje zatem mierzalny spadek temperatury. Podobnie lekkiemu ochłodzeniu podlega woda trzymana w ceramicznych (porowatych i pozwalających na parowanie) naczyniach. W starożytności w rejonach pustynnych (obszar obecnego Iranu i Iraku) parowanie wody z podziemnych kanałów (kanatów) wykorzystywano do schładzania pomieszczeń w budynkach wyposażonych w tzw. łapacze wiatru.

Doświadczenie 2

Dzień wcześniej przygotuj kostki lodu, zamrażając wodę w odpowiednim woreczku lub pojemniku. Dwa pojemniki na mocz napełnij 50 ml wody. Za pomocą termometru (najlepiej elektronicznego) zmierz temperaturę wody. Do każdego pojemnika wrzuć po 3 kostki lodu i rozmieszaj. Zmierz temperatury. Potem wodę w jednym z pojemników intensywnie mieszaj, drugi pozostaw bez mieszania. Monitoruj zmiany temperatury w obu pojemnikach.

Wyjaśnienie: Najprostszym sposobem utrzymania stałej niskiej temperatury jest łaźnia, np. wodno-lodowa. Ciepło z otoczenia jest pochłaniane przez lód i zużywane do topnienia. A potrzeba go dużo – energia, by stopić porcję lodu, wystarczyłaby do podgrzania wody uzyskanej z tej porcji do ok. 80°C! Dlatego w warunkach idealnych, póki cały lód nie stopnieje, temperatura utrzymuje się na stałym równym poziomie 0°C. Jednak brak mieszania powoduje rozwarstwienie się obszarów zimniejszej gęstszej wody, która opada na dno, oraz cieplejszej, unoszącej się ku powierzchni – potwierdzają to wskazania termometru. W czasach dynastii Quing stosowano bīng hàn () – coś pomiędzy pojemnikiem na lód a termosem. W łaźniach chłodzących zamiast lodu wykorzystywane są i inne źródła, np. ciekły amoniak. Zastosowanie takiej łaźni (–33°C) i obniżanie ciśnienia pozwalało skraplać gazy z powietrza, które z kolei stawały się chłodziwem na potrzeby dalszego chłodzenia. W ten sposób Zygmuntowi Wróblewskiemu oraz Karolowi Olszewskiemu udało się skroplić m.in. azot i tlen.

Doświadczenie 3

Trzy pojemniki na mocz napełnij 50 ml wody. Termometrem (najlepiej elektronicznym) zmierz temperaturę wody. Do jednego pojemnika dodaj łyżeczkę węglanu amonu (tzw. amoniak do ciast), do drugiego – łyżeczkę ksylitolu, a do trzeciego – łyżeczkę soli kuchennej, po czym wymieszaj wszystko aż do całkowitego rozpuszczenia substancji i zmierz temperaturę roztworu. Powtórz dodawanie węglanu amonu, ksylitolu oraz soli jeszcze dwukrotnie, mierząc temperaturę.

Wyjaśnienie: Rozpuszczaniu wielu substancji towarzyszy (zwykle niewielkie) obniżenie temperatury. Sole kwasu azotowego, chlorek wapnia lub artykuły spożywcze – sól kuchenna, ksylitol (zamiennik cukru) czy węglan amonu – powodują jej obniżenie i mogą być składnikiem tzw. mieszanin oziębiających. Dodatek każdej łyżeczki węglanu amonu lub ksylitolu obniża temperaturę 50 ml wody o 3–4°C. Sól kuchenna działa w tych warunkach znacznie słabiej. Łatwo rozpuszczające się substancje o takich własnościach (np. mocznik) wchodzą w skład okładów chłodzących (ang. instant cold pack), dostępnych w sklepach sportowych. Przerwanie zabezpieczenia w kompresie powoduje zmieszanie wody i mocznika, co na wiele godzin obniża temperaturę takiego roztworu.

Doświadczenie 4

Dzień wcześniej przygotuj kostki lodu, zamrażając wodę w odpowiednim woreczku lub pojemniku. Powtórz doświadczenie 3, ale tym razem przed dodaniem „amoniaku”, ksylitolu i soli wrzuć do wody kostki lodu.

Wyjaśnienie: Startując z niższej temperatury, uzyskamy odczyty poniżej 0°C (zwykle między –6 a –2°C). Dzięki zastosowaniu odpowiednich proporcji (np. soli kuchennej do śniegu 1:3) odnotujemy nawet –20°C. Zasypawszy pojedynczą kostkę lodu odrobiną soli, można zaobserwować, że i spuszczona na nią kropla wody momentalnie zamarznie.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

ksylitol, amoniak do ciast, sól kuchenna, pojemniki na mocz, flakonik na perfumy, spirytus

Niewliczone w cenę: elektroniczny termometr, termometr cieczowy, pojemnik na kostki lodu, zamrażarka, łyżeczka

Czas przygotowania: 2 godz.

Koszt: 70 zł

***

Wiedza w pigułce

Nasi przodkowie, by przechowywać żywność, nauczyli się magazynować lód i śnieg w lodowniach i chłodniach, często podziemnych. Wiele z nich do dziś zachowało się także na terenie Polski, a na świecie znajdziemy je w Zakazanym Mieście chińskich cesarzy czy na środku irańskiej pustyni (tzw. Yakhchāl). Choć wydaje się to niewiarygodne, śnieg był towarem, który z zyskiem importowano i sprzedawano jeszcze do XIX w. Odizolowane od otoczenia, schłodzone przez lód gęste i zimne powietrze zalegało w takim pomieszczeniu nawet cały rok, tworząc stabilny mikroklimat. Dzieje się tak również w warunkach naturalnych, o czym świadczy istnienie np. słowackich jaskiń lodowych. Podobne systemy stosujemy także dziś – w formie np. zmrożonych wkładów chłodzących (zawierających wodę związaną w żelu ze zmodyfikowanej celulozy lub pochodnych kwasu poliakrylowego) do lodówki turystycznej. W przeciwieństwie do idei utrwalonej w popkulturze zimno jest nie tyle przeciwieństwem ciepła (a właściwie wysokiej temperatury), ile jego brakiem. Ta subtelna różnica sprawia, że w skali makroskopowej nie dysponujemy żadnymi „promieniami zamrażającymi”, pozwalającymi skutecznie schładzać obiekty – energię termiczną musimy z obiektu odprowadzić, wyssać. Tak działają współczesne chłodziarki – to w istocie pompy ciepła. Większość bazuje na znanym od starożytności efekcie spadku temperatury spowodowanym parowaniem jakiejś cieczy (by przejść w formę gazową, potrzebuje ona energii, którą pobiera z otoczenia). Ujarzmienie tego zjawiska w obiegu zamkniętym niemal 200 lat temu umożliwiło nie tylko schładzanie, ale nawet produkowanie sztucznego lodu. Wysoką intensywność parowania zapewniają dodatkowo sprężarki – spadek ciśnienia ułatwia parowanie, ale rozprężaniu gazów także towarzyszy spadek temperatury. Ten efekt dostrzegamy w postaci pojawiającej się nagle mgiełki skroplonej pary wodnej, okalającej wylot butelki po otwarciu napoju gazowanego. Sprężenie gazów powoduje wzrost temperatury, ciepło emitowane jest do otoczenia. Warto zajrzeć do zamrażalnika – chłodziwo rozpręża się wewnątrz oszronionej sieci rurek, a podobna instalacja z tyłu chłodziarki jest gorąca i pozwala je zregenerować. Coraz lepsze chłodziwa (początkowo używano eteru lub amoniaku) zwiększały wydajność tych urządzeń. Niestety, bardzo skuteczne w tej funkcji freony okazały się szkodliwe dla powłoki ozonowej. Być może chłodziarki przyszłości będą chłodzić… gumą. Podczas jej rozciągania lub skręcania emitowane jest ciepło – a gdy wraca ona do stabilnego kształtu, następuje obniżenie temperatury (ang. twistocalorymetric cooling). A już teraz do chłodzenia wykorzystywane są moduły Peltiera – prąd przepływający przez złącza półprzewodników o różnych własnościach może je podgrzewać lub schładzać. Ekstremalnie niskie temperatury pozwalają nam dzisiaj poznawać własności nadprzewodników, strukturę białek (mikroskopia krioelektronowa) lub transportować chłodzone suchym lodem (zestalonym dwutlenkiem węgla, około –78,5°C) szczepionki przeciw COVID-19, w tzw. zimnym łańcuchu dostaw.