التبريد المفرط (علم القر)

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

التبريد المفرط (علم القر)

تبريد مفرط (علم قر)

Cryogenics -

التبريد المفرط (علم القَرّ)

إنتاج درجات حرارة منخفضة

حفظ موائع التبريد

التطبيقات

فوزي عوض

يتناول علم التبريد المفرط cryogenics تبريد الأشياء إلى درجات حرارة منخفضة جداً قريبة من الصفر المطلق (صفر كلفن)، وطرائق الوصول لمثل هذه الدرجات، وخصائص المواد عندها. ونظراً لاتساع هذا الموضوع وتطبيقاته أصبح علماً قائماً بذاته سمي علم القرّ أو علم درجات الحرارة المنخفضة. لقد تطور مدلول هذا العلم من حيث المقصود بمجال درجات الحرارة المنخفضة، فقد بدأ بمجال يقع تحت الدرجة 150 كلفن kelvin (مطلقةK) وقربها، ثم درجة حرارة الهواء السائل قرابة 80 كلفن، وبعدها درجة حرارة الهليوم السائل قرابة 4 كلفن، ليصل اليوم إلى درجات حرارة بجوار الصفر المطلق، ولا يبتعد عنه إلا بقرابة نانو درجة.

يرتبط مفهوم درجة الحرارة ومدلولها ارتباطاً وثيقاً بكمية الحرارة؛ وبالتالي بالطاقة التي يُخزِّنها جسم ما وتوزعها، وكذلك يرتبط بالمقصود العام للسخونة والبرودة. فعندما تسخّن كمية من الجليد؛ فإنها تعطى طاقة تتوزعها ذرات الماء وجزيئاته المرتبة ضمن شبيكة بلورية مرتبة منتظمة فيما بينها، فيزداد نشاطها مهتزة بسعات أكبر حول مواقع توازنها، ومع زيادة الطاقة المقدمة تفقد الجزيئات هذا الترتيب، فتصبح فجأة في فوضى متحركة ضمن حجم الماء كله، وعندما تأخذ الجزيئات كمية إضافية كافية من الطاقة، تبدأ بترك الماء متبخرة لتشغل أرجاء الوعاء كله. كانت حالة الجليد وجزيئاته مرتبة قبيل انصهاره توصَف بدرجة حرارة صفر سلزيوس celsius (مئوية)، أي قرابة 273 كلفن، وحالة الماء عند تبخره بالدرجة مئة سلزيوس؛ قرابة 373 كلفن. ويمكن أن تقَارن حالات المواد الأخرى بحالة الماء وتغيراتها اعتماداً على سلم سلزيوس، أو سلم كلفن؛ بإعطاء درجات حرارة مقابلة مرتبطة بترتيب مكوناته. وعليه إذا أريد تبريد مادة ما يجب إنقاص الطاقة الموجودة فيها، كأن تكون على تماس مع مادة أخرى درجة حرارتها أخفض من درجة حرارة هذه المادة. كما أن تغيير حالة المادة لا يقتصر على تبادل كمية حرارة فقط؛ وإنما يأخذ بالحسبان الطاقة الميكانيكية المتبادلة، مثل العمل المصروف لضغط غاز ما، أو ترك الغاز لينخفض ضغطه مُنجِزاً عملاً يأخذه الوسط المحيط.

ساير تطور هذا العلم إمكان تمييع الغازات المختلفة والحصول على كميات وافرة منها؛ وبالتالي فإنه -مع تطور التقنيات المستعملة للتمييع والحفاظ عليها سائلة من دون أن تتبخر- علمٌ وتقانة. كما تطور كثيراً مع توسع استعمالاته وتطبيقاته؛ فقد اكتشفت ظواهر فيزيائية كثيرة لبعض المواد مثل تغير السعة الحرارية مع انخفاض درجة الحرارة، والتمغنط، وقساوة المواد، والناقلية الكهربائية الفائقة، والسيولة الفائقة وغير ذلك. أدّت هذه التطبيقات بدورها إلى الاستفادة من تغيرات خواص بعض المواد؛ لتستعمل مبرّدات cryogens أو refrigerants؛ مثل الخواص المغنطيسية، ومن ثم لم يعد يقتصر التبريد على تمييع الغازات، بل أصبح خطوة أولى. يضاف إلى ذلك تطور رافق الحاجة لاختبار النظريات الترموديناميكية وقوانينها؛ خصوصاً القانون الثالث المتعلق بإمكان الوصول للصفر المطلق. إذ كان اختيار الماء وحالاته وسلم سلزيوس معياراً لمقارنة حالات المواد الأخرى من دون سند علمي، وقد أمكن - اعتماداً على قوانين الترموديناميك - التوصل إلى سلم كلفن الذي يبدأ من حالة مشتركة للمواد جميعها؛ تلك هي حالة الترتيب التام لكلّ منها، وذلك عند الصفر المطلق، فأصبحت درجة الحرارة تعبر عن مدى ابتعاد المادة عن هذا الترتيب التام لمكوناتها.

وبعد أن تبين أن كمية الحرارة ليست إلا طاقة (موزعة توزعاً عشوائياً بين مكونات المادة)، وأن لتبادلها شروطاً؛ انتقل الاهتمام إلى كيفية الاستفادة منها لإنتاج عمل في المحركات الحرارية والاستفادة منها فائدة قصوى. بدأ ذلك باكتشاف قوانين الغازات العامة مثل قانون بويل R. Boyle وماريوت E. Mariotte والتعمق في دراسة الحرارة المختزنة في المادة عند أخذ الطاقة الميكانيكية في الحسبان، فعرّفت الحرارة اللاطية latent heat وعلاقتها بالعمل. ثم عرّفت الإنتروبية entropy والأنطلبية enthalpy اللتان توضّح مدلولهما مع منتصف القرن التاسع عشر. ولدى البحث عن مردود المحركات الحرارية باستعمال الدورات الترموديناميكية المغلقة لتمثيل العمليات الجارية في المحرك ظهرت دورة كارنو S. Carnot عام 1824 المثالية العكوسة التي تعطي أفضل مردود (الشكل 1)، فهي تتكون من أربعة تحولات اثنان متساويا الدرجة isothermal يتبعان قانون بويل وماريوت، فمثلاً: إذا كانت المادة العاملة غازاً: (الجزءان AB وCD)؛ تتبادل المادة العاملة كميات الحرارة، وتحولان آخران كظومان adiabatic لا يتم فيهما أي تبادل حراري مع المحيط هما BC
وDA. فإذا اتبعت الدورة وفق الاتجاهات المرسومة مثّلت عمل محرك يحول جزءاً من الحرارة إلى عمل، أمّا إذا اتبعت عكس الاتجاه المرسوم؛ تكون قد مثّلت عمل مبرد ينقل كمية من الحرارة من المنبع البارد إلى المنبع الساخن نتيجة صرف عمل؛ عند زيادة الضغط مثلاً، بيد أن تحقيق هذه الدورة عملياً صعب جداً. وقد برهن كارنو -اعتماداً على هذه الدورة- على إمكان كتابة نسبة كميتي الحرارة المتبادلتين مساوية نسبة درجتي حرارة المنبعين، ثم عرّف كلاوزيوس R. J. E. Clausius -في عام 1854- الأنتروبية على أنها حاصل قسمة كمية الحرارة على درجة الحرارة. تبع ذلك ربط هذه الأنتروبية بالحالات المجهرية microscopic states المختلفة المقابلة لحالة جهرية macroscopic state على يد بولتزمان L. E. Boltzmann؛ وبالتالي بحالة الترتيب لمكونات المادة.

الشكل (1) دورة كارنو.

انتقل الاهتمام بعد ذلك إلى الحديث عن الترتيب التام ومقابلته مع الصفر المطلق وكيفية الوصول إلى ذلك على يد الكيميائيين الألماني نرنست
W. H. Nernst والبريطاني سايمون فرانسيس Simon Francis. فاكتمل بذلك سلم كلفن الذي كان قد اقترحه ويليام تومسونWilliam Thomson ، الذي نال وسام السير كلفن فيما بعد. وتقابل درجة الحرارة العادية الوسطية على سلم كلفن 300 K، الذي اعتمد على دورة كارنو وتناسب كمية الحرارة مع درجة حرارة المنبع الذي أعطاها أو أخذها.

إنتاج درجات حرارة منخفضة

عرفت طرائق مختلفة للتبريد قرابة منتصف القرن السابع عشر، منها:

تبريد الأجسام- مثل الماء والطعام- بوضعها على تماس مع أجسام أبرد منها مثل الثلج والجليد.
التبريد بالتبخر مثل تبخر العرق في يوم حارّ.
التبريد الناجم عن انحلال مادة كيميائية في محلول.

ومع حلول منتصف القرن التاسع عشر- بعد اقتراح دورة كارنو التي كان يصعب تحقيقها عملياً- اقترحت دورات أخرى، منها دورة ستيرلنغ R. Stirling – (الشكل 2)- التي تتكون من تحولين متساويي الدرجة 1 و3 وتحولين متساويي الحجم 2 و4. كان ستيرلنغ قد اقترحها عام 1816 لمحرك يعمل بالهواء بدورة مغلقة؛ لكن الأمر بقي مهمل التطبيق حتى عام 1886 عندما اقترح جنكن F. Jenkin مجدداً استعمالها لتجهيزات التبريد.

الشكل (2) دورة ستيرلنغ.

إضافة إلى سهولة حساب مردود تجهيزات التبريد بعد تعيين المادة العاملة في التجهيزات والدورة الترموديناميكية التي تنجزها؛ أدخلت في الحسبان المبادلات الحرارية وعملية التبريد المتكرر حيث يبرِّد جزء من الغاز جزءاً آخر يسير في الاتجاه المعاكس في مبادل، إضافة إلى دراسة تأثير الشروط الابتدائية للمادة العاملة من ضغط ودرجة حرارة؛ ما يفسر إمكان استعمال موائع تبريد على التوالي .

أعلن كيلتيت L. P. Cailletet وبيكتت R. Pictet -كلٌّ على حدة- تمييع الأكسجين بنجاح عام 1877. فقد قام الأول بتبريد الأكسجين قبل ضغطه إلى 200 ضغط جوي بوساطة الإِتلين ethylene المائع عند الدرجة -103°س، ثم تركه يتمدد عبر صمام، في حين قام بيكتت بتبريد الأكسجين على مرحلتين: الأولى بوساطة أكسيد الكبريت المائع عند الدرجة -10°س، والثانية باستعمال أكسيد الكربون الجاف عند الدرجة -87°س، وكانت كمية الأكسجين السائل الناتجة قليلة –عند الدرجة -190°س (أي قرابة 90K)، وكانت إعادة العملية تستغرق وقتاً طويلاً. لذلك تم اللجوء إلى استعمال أجهزة تمييع تنتج السائل بصورة مستمرة تعمل على دورات ترموديناميكية مختلفة، وكذلك استعمال حاويات خاصة للتقليل من تبخر المائع بعد الحصول عليه؛ إذ طور ديوار J. Dewar (1892) وعاء زجاجياً مطليا بالفضة على طبقتين يفصل بينهما خلاء (ترموستات)، فأمكن الحفاظ على المائع عدة ساعات، ويطلق اليوم اسمه على حاويات المبردات كلها مثل الهواء المائع (السائل) والهليوم السائل.

وفي عام 1895 تمكن هامبسون و ليند W. Hampson وC. von Linde من تمييع الهواء باستمرار الذي تقارب درجة حرارة سائله تحت الضغط الجوي النظامي قرابة 80 K، وذلك بالاعتماد على أثر جول وكلفن؛ بما يعرف بالتبريد عبر مِخنق، فإذا أجبر غاز على المرور عبر مخنق بتطبيق ضغط على الغاز؛ فإنه يخرج منه بدرجة حرارة أخفض من درجة حرارة دخوله، وذلك لكثير من الغازات. وقد تمكّن ليند عام 1905 من فصل الأكسجين السائل عن الآزوت السائل بنقاوة عالية جداً، وقد تمكن ديوار من تمييع الهدروجين عام 1898، الذي درجة حرارة سائله قرابة 20 K، وأخيراً تمكّن أونس K. Onnes من تمييع الهليوم عام 1908 درجة حرارة سائله قرابة 4 K. اكتشف بعد ذلك أن لهذا الهليوم نظيراً، ويتميع عند درجة حرارة أخفض منه قرابة 3 K، وأنه يمكن استعمال مزيج منهما للوصول إلى درجات حرارة منخفضة جداً .

وقد استعملت خواص أخرى للتبريد مثل تطبيق حقل مغنطيسي ثم عزل المادة حرارياً، وتركها لتعود غير ممغنطة، فتنخفض درجة حرارتها؛ بما يشبه عملية الضغط ثم الإفلات، فتوصل جياوك W. F. Giauque عام 1926 بهذه الطريقة إلى الدرجة 0.25 K. وكانت الخطوة الكبيرة عندما أمكن الحصول على هليوم سائل بكميات كبيرة باستعمال مميِّع هليوم تجاري طوّره كولّنز S. C. Collins عام 1946.

تستعمل الآن الخواص الكهرحرارية مثل أثر سيبك Seebeck effect والمزدوجة الكهرحرارية وأثر بيلتييه Peltier effect في تبريد إضافي لبعض الأجزاء الصغيرة ضمن تركيبة أضخم.

حفظ موائع التبريد

تحتاج دراسة خواص المواد عند درجات حرارة منخفضة إلى كميات وافرة من موائع التبريد؛ فكان لا بدّ من حفظها بعناية للإقلال من فقدها غير المسوّغ. لذلك طورت حاويات تشبه حاويات ديوار الأصلية؛ لكنها غير زجاجية، ومازالت تسمى الاسم نفسه. أما دراسة خواص المواد فتحتاج إلى تجهيزات خاصة لكل نوع من القياسات: كهربائية أو حرارية أو مغنطيسية وغير ذلك، تحسب لها كمية مائع التبريد اللازم للقيام بالتجربة بعد تعيين كميات الحرارة الداخلة عبر طرائق انتقال الحرارة الثلاث: الانتقال بالتماس وبالحمل وبالإشعاع. ويحدد كذلك مجال درجات الحرارة المقابل؛ وبالتالي مائع التبريد الذي سيستعمل، وتختلف كلفة التبريد باختلاف المائع المستعمل وكذلك كميته. تساعد معرفة درجة حرارة الغليان لكل مائع والحرارة اللاطية أو الكامنة (الحرارة اللازمة للتبخير أو التمييع) على هذا الحساب، فهي مؤشرات مهمة على خواص الموائع المبرّدة وسهولة تمييعها في الوقت نفسه، ويبين الجدول (1) قيم هذه المؤشرات للموائع المبرّدة الشائعة.

الجدول (1) درجة حرارة غليان بعض موائع التبريد(تحت الضغط النظامي) وحرارتها اللاطية.

المائع

الماء

الإِتلين

الميتان

الأكسجين

الآزوت

النيون

الهدروجين

الهليوم

درجة حرارة الغليان

373.15 K

169 K

111.7 K

90.1 K

77.3 K

27.2 K

20.4 K

4.2 K

الحرارة اللاطية

2256

kJ/kg

481 kJ/kg

512

kJ/kg

213

kJ/kg

199

kJ/kg

443

kJ/kg

يلاحظ صغر الحرارة اللاطية للهليوم مقارنة بالحرارة اللاطية للآزوت أو الأكسجين؛ وهذا ما يجعل الوصول إلى آحاد الدرجات مرتفع الكلفة. ويُعدّ اكتشاف الناقلية الفائقة لمواد عند درجة حرارة الآزوت السائل- بعد اكتشاف الناقلية الفائقة العادية بجوار درجة حرارة الهليوم السائل- فتحاً بنيت عليه آمال كبيرة، وخصصت له موازنات هائلة، وأنشئت في بعض الدول وزارات لتطوير مثل هذه المواد وتطبيقاتها، لكن هذه الآمال لم تتحقق على الصعيد التجاري بسبب صعوبة تصنيع هذه المواد وتطويعها وتكرارية سلوكها.

طورت مواد عديدة للاستعمال في الأبحاث والتطبيقات المختلفة، مثل الحاجة إلى مواد ذات ناقلية حرارية منخفضة جداً، أو مواد ذات ناقلية كهربائية عالية جداً، أو مواد غير مغنطيسية. فطورت لذلك أنواع من الفولاذ والنيكل والألمنيوم وخلائطها؛ لتلبي هذه المتطلبات الخاصة. كما طورت أنواع من البوليمرات المقواة sreinforced plastic، مثل ألياف البولي إِتلين عالية المتانة Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE, UHMW) ولها اسم تجاري هو Dyneema وSpectra التي تمتلك معامل تمدد حراري سالباً negative expansion، فهي تتمدد مع انخفاض درجة الحرارة، كما أن لها معامل انزلاق منخفضاً حتى عند درجات حرارة تقارب درجة حرارة الهليوم السائل.

التطبيقات

استعمِلت المبرّدات في علوم شتى، وأصبح لعلم القرّ تطبيقات وفروع في كل مجال بدءاً من الفيزياء مروراً بالكيمياء حتى علوم الحياة، فوجد علم القرّ الحيوي cryobiology الذي يتناول دراسة آثار تخفيض درجة الحرارة على الأعضاء والجسم وسلوكها بغية حفظها cryopreservation؛ وكذلك استعمالها في الجراحة cryosurgery وفي استئصال السرطان خاصة.

نشأ في علوم الإلكترونيات فرع جديد، هو علم القرّ الإلكتروني cryoelectronics يهتم بدراسة تطبيقات الناقلية الفائقة خاصة. كما استعمل لتحسين اللواقط والهوائيات والكواشف بأنواعها المختلفة: الراديوية والمكروية والنووية وغيرها، إذ يعدّ الضجيج الحراري من الأسباب الرئيسية لعدم التمكن من التقاط الإشارات الضعيفة جداً؛ إذ تعطى الطاقة الحرارية الوسطية التي يملكها جسيم مثل الإلكترون بحاصل الضرب kT حيث k ثابتة بولتزمان و T درجة حرارة الجسم على سلم كلفن؛ وبالتالي ينخفض تأثير الضجيج الحراري مع انخفاض درجة الحرارة بما يقارب أربع مرات عند وضع الكاشف في الآزوت السائل؛ وبعشر مرات عند وضعه في الهليوم السائل.

كذلك استعمل التبريد لدراسة التفاعلات الكيميائية، فمن المعروف في الكثير من التفاعلات الكيميائية سرعتها العالية، وأن هذه السرعة يمكن أن تنخفض مع انخفاض درجة الحرارة؛ وبالتالي يمكن ملاحقة هذه التفاعلات على مستوى الإيونات والمؤكسدات، فوجد فرع كيمياء درجات الحرارة المنخفضة، وكان جزء منه بهدف الاستحصال التجاري لبعضها. كما استعمل التبريد أيضاً وسيلة انتقائية لبعض التفاعلات.

وفي الفضاء استعمل الوقود من الأكسجين والهدروجين في محركات الصواريخ والمركبات الفضائية فهو يتمتع بأكبر مردود طاقة منتجة للزخم والدسر.

إن تغير الخواص الميكانيكية للمواد، وعلى الخصوص مرونتها وقساوتها مع انخفاض درجة الحرارة من الأمور المهمّة في تصنيع التجهيزات أو الإفادة من ذلك في تحسين عمليات التصنيع باستعمال درجات حرارة منخفضة cryoprocessing؛ مثل الخراطة cryomilling.

وتستعمل موائع التبريد اليوم في التصوير الطبي باستعمال التجاوب المغنطيسي النووي nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy عن طريق استعمال الحقول المغنطيسية العالية الناتجة من مغانط فائقة الناقلية التي ساهمت في تصغير أجهزة التصوير هذه. كما أن هذا التجاوب والحقول المغنطيسية العالية تُستعمل كثيراً اليوم في الفيزياء والكيمياء وعلوم الحياة لإنجاز تحاليل عالية الدقة، وكذلك استعملت المغانط فائقة الناقلية في المسرعات.

يجب الانتباه عند استعمال موائع التبريد، سواء عند ملامستها أم ملامسة أجسام في درجة حرارتها؛ لأنها تسبب حروقاً تشبه الحروق بالنار، أو عند استنشاق غازاتها؛ إذ يمكن أن يسبب بعضها اختناقات؛ وبعضها الآخر تسممات.

مراجع للاستزادة:

- R. F. Barron and G. F. Nellis, Cryogenic Heat Transfer, CRC press 2016.

- N. R Braton, Cryogenic Recycling and Processing, CRC press 2017.

- G. Ventura and L. Risegari, The Art of Cryogenics: Low-Temperature Experimental Techniques, Elsevier, 2017

- B. Zohuri, Physics of Cryogenics: An Ultralow Temperature Phenomenon, Elsevier, 2017.