علم التبريد

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة
النيتروجين سائل عند درجة حرارة أقل من -195.8 درجة مئوية (77.3 كلفن) .  

في الفيزياء ، علم التبريد هو إنتاج وسلوك المواد في درجات حرارة منخفضة للغاية .

أقرّ المؤتمر الدولي الثالث عشر للتبريد التابع للمعهد الدولي للتبريد (الذي عُقد في واشنطن العاصمة عام ١٩٧١) تعريفًا عالميًا لمصطلحي "التبريد الفائق" و"التبريد الفائق" باعتماد عتبة ١٢٠ كلفن (-١٥٣.١٥  درجة مئوية) لتمييز هذين المصطلحين عن التبريد التقليدي. [ ١ ] [ ٢ ] [ ٣ ] [ ٤ ] ويُعدّ هذا خطًا فاصلًا منطقيًا، إذ تقع درجات غليان الغازات الدائمة (مثل الهيليوم والهيدروجين والنيون والنيتروجين والأكسجين والهواء العادي ) دون ١٢٠ كلفن، بينما تتجاوز درجات غليان غازات التبريد من نوع الفريون والهيدروكربونات وغيرها من غازات التبريد الشائعة ١٢٠ كلفن . [ ٥ ] [ ٦ ]  

أدى اكتشاف المواد فائقة التوصيل ذات درجات الحرارة الحرجة الأعلى بكثير من درجة غليان النيتروجين إلى تجدد الاهتمام بأساليب موثوقة ومنخفضة التكلفة لإنتاج التبريد المبرد عالي الحرارة. ويشير مصطلح "التبريد المبرد عالي الحرارة" إلى درجات حرارة تتراوح من أعلى من درجة غليان النيتروجين السائل، -195.79 درجة مئوية (77.36 كلفن؛ -320.42 درجة فهرنهايت) ، إلى -50 درجة مئوية (223 كلفن؛ -58 درجة فهرنهايت) . [ 7 ] يُنسب اكتشاف خصائص التوصيل الفائق لأول مرة إلى هايك كامرلينغ أونيس في 10 يوليو 1908، بعد أن تمكنوا من الوصول إلى درجة حرارة 2 كلفن. وقد لوحظت هذه الخصائص لأول مرة في الزئبق عند درجة حرارة 4.2 كلفن. [ 8 ]        

يستخدم علماء التبريد مقياس كلفن أو رانكين ، وكلاهما يقيس من الصفر المطلق ، بدلاً من المقاييس الأكثر شيوعاً مثل سيليزيوس الذي يقيس من نقطة تجمد الماء عند مستوى سطح البحر [ 9 ] [ 10 ] أو فهرنهايت الذي يقيس من نقطة تجمد محلول ملحي معين عند مستوى سطح البحر. [ 11 ] [ 12 ]

التعريفات والفروقات

علم التبريد

فروع الهندسة التي تتضمن دراسة درجات الحرارة المنخفضة للغاية (درجات الحرارة المنخفضة للغاية أي أقل من 123 كلفن)، وكيفية إنتاجها، وكيف تتصرف المواد عند درجات الحرارة تلك.

علم الأحياء التجميدي

فرع من علم الأحياء يُعنى بدراسة تأثير درجات الحرارة المنخفضة على الكائنات الحية (غالباً لغرض الحفظ بالتبريد ). تشمل التطبيقات الأخرى التجفيف بالتجميد للمكونات الصيدلانية [ 13 ] والأدوية.

حفظ الموارد الوراثية الحيوانية بالتبريد

حفظ المادة الوراثية بهدف الحفاظ على سلالة معينة. ولا يقتصر حفظ المادة الوراثية على الكائنات غير البشرية، إذ توفر العديد من الخدمات تخزين المواد الوراثية أو حفظ الخلايا الجذعية عند الولادة. ويمكن استخدامها لدراسة توليد خطوط الخلايا أو للعلاج بالخلايا الجذعية . [ 14 ]

الجراحة البردية

فرع الجراحة الذي يستخدم درجات حرارة منخفضة للغاية لتدمير وقتل الأنسجة، مثل الخلايا السرطانية، ويشار إليه عادة باسم الاستئصال بالتبريد . [ 15 ]

الإلكترونيات المبردة

دراسة الظواهر الإلكترونية عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية. ومن الأمثلة على ذلك الموصلية الفائقة والقفز ذو المدى المتغير .

علم التجميد

حفظ البشر والحيوانات بالتبريد بهدف إحيائهم في المستقبل. يُستخدم مصطلح "التبريد" أحيانًا بشكل خاطئ بمعنى "علم التجميد" في الثقافة الشعبية والصحافة. ​​[ 16 ]

أصل الكلمة

كلمة علم التبريد تنبع من اليونانية κρύος (cryos) - "بارد" + γενής (genis) - "توليد".

السوائل المبردة

هذا رسم تخطيطي لتلسكوب فضائي يعمل بالأشعة تحت الحمراء، ويحتاج إلى مرآة باردة وأجهزة. أحد هذه الأجهزة يحتاج إلى درجة حرارة أبرد، وهو مزود بمبرد فائق التبريد. يقع الجهاز في المنطقة 1، بينما يقع مبرد التبريد الخاص به في المنطقة 3، وهي منطقة أكثر دفئًا من المركبة الفضائية (انظر MIRI (جهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة) أو تلسكوب جيمس ويب الفضائي ).

السوائل المبردة مع نقطة غليانها بالكلفن [ 17 ] ودرجة مئوية.

سائلنقطة الغليان (كلفن)نقطة الغليان (°م)
الهيليوم-33.19-269.96
الهيليوم-44.214-268.936
هيدروجين20.27-252.88
نيون27.09-246.06
نتروجين77.09-196.06
هواء78.8-194.35
الفلور85.24-187.91
الأرجون87.24-185.91
الأكسجين90.18-182.97
الميثان111.7-161.45
كريبتون119.93-153.415

التطبيقات الصناعية

يتم ملء وعاء ديوار متوسط ​​الحجم بالنيتروجين السائل بواسطة خزان تخزين مبرد أكبر.
صورة من كتالوج لصمام تبريد فائق
صمامات تبريد فائقة في مكانها، متجمدة بشدة من الرطوبة الجوية المتكثفة

تُستخدم الغازات المسالة ، مثل النيتروجين السائل والهيليوم السائل ، في العديد من التطبيقات المبردة. يُعد النيتروجين السائل العنصر الأكثر شيوعًا في التبريد، وهو متاح للشراء قانونيًا في جميع أنحاء العالم. كما يُستخدم الهيليوم السائل على نطاق واسع، مما يسمح بالوصول إلى أدنى درجات الحرارة الممكنة .

يمكن تخزين هذه السوائل في قوارير ديوار ، وهي عبارة عن أوعية مزدوجة الجدران ذات فراغ عالٍ بين جداريها لتقليل انتقال الحرارة إلى السائل. قوارير ديوار المخبرية النموذجية كروية الشكل، مصنوعة من الزجاج ومحمية بغلاف معدني خارجي. أما قوارير ديوار المخصصة للسوائل شديدة البرودة، مثل الهيليوم السائل، فتحتوي على وعاء آخر مزدوج الجدران مملوء بالنيتروجين السائل. سُميت قوارير ديوار نسبةً إلى مخترعها، جيمس ديوار ، الذي كان أول من قام بإسالة الهيدروجين . أما الترمس، فهو عبارة عن قوارير مفرغة من الهواء أصغر حجماً، موضوعة داخل غلاف واقٍ.

تُستخدم ملصقات الباركود الخاصة بدرجات الحرارة المنخفضة لتمييز قوارير ديوار التي تحتوي على هذه السوائل، ولن تتجمد حتى درجة حرارة -195 درجة مئوية. [ 18 ]

مضخات النقل المبردة هي المضخات المستخدمة في أرصفة الغاز الطبيعي المسال لنقل الغاز الطبيعي المسال من ناقلات الغاز الطبيعي المسال إلى خزانات تخزين الغاز الطبيعي المسال ، وكذلك الصمامات المبردة.

المعالجة بالتبريد

شهد مجال التبريد العميق تطورًا ملحوظًا خلال الحرب العالمية الثانية، عندما اكتشف العلماء أن المعادن المجمدة في درجات حرارة منخفضة تُظهر مقاومة أكبر للتآكل. وانطلاقًا من نظرية التصليد بالتبريد العميق ، أسس بيل وإد بوش صناعة المعالجة التجارية بالتبريد العميق عام 1966. وبفضل خبرتهما في مجال المعالجة الحرارية ، أسس الأخوان بوش شركة "كرايوتك" في ديترويت عام 1966. [ 19 ] في البداية، أجرى بوش تجارب على إمكانية زيادة عمر الأدوات المعدنية إلى ما بين 200% و400% من عمرها الافتراضي الأصلي باستخدام التبريد العميق بدلًا من المعالجة الحرارية . [ 20 ] وتطور هذا الأمر في أواخر التسعينيات ليشمل معالجة أجزاء أخرى.

تُستخدم المبردات، مثل النيتروجين السائل، في تطبيقات التبريد والتجميد المتخصصة. بعض التفاعلات الكيميائية، كتلك المستخدمة في إنتاج المكونات الفعالة لأدوية الستاتين الشائعة ، تتطلب درجات حرارة منخفضة تصل إلى حوالي -100 درجة مئوية (-148 درجة فهرنهايت) . تُستخدم مفاعلات كيميائية مبردة خاصة لإزالة حرارة التفاعل وتوفير بيئة منخفضة الحرارة. يتطلب تجميد الأطعمة ومنتجات التكنولوجيا الحيوية، كاللقاحات ، استخدام النيتروجين في أنظمة التجميد السريع أو التجميد بالغمر. تصبح بعض المواد اللينة أو المرنة صلبة وهشة عند درجات حرارة منخفضة جدًا، مما يجعل الطحن المبرد ( الطحن بالتبريد ) خيارًا مناسبًا لبعض المواد التي يصعب طحنها عند درجات حرارة أعلى.  

المعالجة بالتبريد العميق ليست بديلاً عن المعالجة الحرارية، بل هي امتداد لدورة التسخين والتبريد السريع والتطبيع. عادةً، عند تبريد قطعة ما، تكون درجة حرارتها النهائية هي درجة حرارة الغرفة. والسبب الوحيد لذلك هو أن معظم شركات المعالجة الحرارية لا تمتلك معدات تبريد. لا توجد أهمية معدنية لدرجة حرارة الغرفة. تستمر عملية التبريد العميق في هذه العملية من درجة حرارة الغرفة وصولاً إلى -320 درجة فهرنهايت (140 درجة رانكين؛ 78 كلفن؛ -196 درجة مئوية) . في معظم الحالات، تتبع دورة التبريد العميق عملية تطبيع حراري. ولأن جميع السبائك لا تحتوي على نفس المكونات الكيميائية، فإن عملية التطبيع تختلف وفقًا للتركيب الكيميائي للمادة، وتاريخها الحراري، و/أو استخدام الأداة المحدد.    

تستغرق العملية بأكملها من 3 إلى 4 أيام.

الوقود

يُستخدم التبريد الفائق أيضًا في إنتاج وقود الصواريخ، ويُعدّ الهيدروجين السائل المثال الأكثر شيوعًا، بينما بدأ الميثان السائل بالانتشار بشكل متزايد في السنوات الأخيرة. ويُستخدم الأكسجين السائل (LOX) على نطاق أوسع، ولكن كمؤكسد وليس كوقود. وقد استخدم مكوك الفضاء التابع لناسا ، والذي يُعدّ سلاحه الرئيسي، مزيج الهيدروجين والأكسجين المبرّد كوقود أساسي للوصول إلى المدار . كما يُستخدم الأكسجين السائل على نطاق واسع مع الكيروسين RP-1 ، وهو هيدروكربون غير مبرّد، كما هو الحال في الصواريخ التي بناها سيرجي كوروليف لبرنامج الفضاء السوفيتي .

طورت شركة توبوليف الروسية لصناعة الطائرات نسخة من تصميمها الشهير Tu-154 مزودة بنظام وقود مبرد، عُرفت باسم Tu-155 . تستخدم الطائرة وقودًا يُعرف باسم الغاز الطبيعي المسال أو LNG، وقد قامت بأول رحلة لها في عام 1989. [ 21 ]

تطبيقات أخرى

تم تجهيز الأجهزة الفلكية الموجودة على التلسكوب الكبير جداً بأنظمة تبريد ذات تدفق مستمر. [ 22 ]

بعض تطبيقات التبريد الفائق:

  • يُعدّ الرنين المغناطيسي النووي (NMR) من أكثر الطرق شيوعًا لتحديد الخصائص الفيزيائية والكيميائية للذرات، وذلك من خلال رصد الترددات الراديوية الممتصة واسترخاء النوى اللاحق في مجال مغناطيسي. تُعتبر هذه التقنية من أكثر تقنيات توصيف المواد استخدامًا، ولها تطبيقات في مجالات عديدة. في الأساس، تُولّد المجالات المغناطيسية القوية بواسطة مغانط كهربائية فائقة التبريد، مع وجود مطيافات لا تتطلب استخدام مواد تبريد فائقة. في الملفات اللولبية فائقة التوصيل التقليدية، يُستخدم الهيليوم السائل لتبريد الملفات الداخلية نظرًا لانخفاض درجة غليانه إلى حوالي 4 كلفن عند الضغط الجوي. ويمكن استخدام موصلات فائقة معدنية رخيصة الثمن لتوصيل الملفات. كما يمكن جعل ما يُسمى بالمركبات فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية موصلة فائقة باستخدام النيتروجين السائل، الذي يغلي عند حوالي 77 كلفن.
  • التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) هو تطبيق معقد للرنين المغناطيسي النووي (NMR)، حيث يتم تحليل هندسة الرنين واستخدامها لتصوير الأجسام عن طريق رصد استرخاء البروتونات التي تم تحفيزها بنبضة ترددات راديوية في مجال مغناطيسي قوي. ويُستخدم هذا النوع من التصوير بشكل شائع في التطبيقات الصحية.
  • يُعدّ المجهر الإلكتروني فائق البرودة ( cryoEM) أسلوبًا شائعًا في علم الأحياء البنيوي لتوضيح بنى البروتينات والخلايا والأنظمة البيولوجية الأخرى. تُجمّد العينات تجميدًا سريعًا في مادة مبردة مثل الإيثان السائل المُبرّد بالنيتروجين السائل، ثم تُحفظ عند درجة حرارة النيتروجين السائل أثناء إدخالها في المجهر الإلكتروني للتصوير. كما تُبرّد المجاهر الإلكترونية نفسها بالنيتروجين السائل.
  • في المدن الكبرى، يصعب نقل الطاقة عبر الكابلات الهوائية، لذا تُستخدم الكابلات الأرضية. إلا أن هذه الكابلات ترتفع درجة حرارتها وتزداد مقاومتها، مما يؤدي إلى هدر الطاقة. يمكن استخدام الموصلات الفائقة لزيادة إنتاجية الطاقة، مع العلم أنها تتطلب سوائل مبردة كالنتروجين أو الهيليوم لتبريد كابلات خاصة تحتوي على سبائك لزيادة نقل الطاقة. وقد أُجريت عدة دراسات جدوى، ويخضع هذا المجال لاتفاقية ضمن الوكالة الدولية للطاقة .
شاحنة توصيل الغازات المبردة في سوبر ماركت، يبسيلانتي، ميشيغان
  • تُستخدم الغازات المبردة في نقل وتخزين كميات كبيرة من الأطعمة المجمدة . فعندما يتعين نقل كميات هائلة من الطعام إلى مناطق مثل مناطق الحروب أو المناطق المنكوبة بالزلازل، وما إلى ذلك، يجب تخزينها لفترات طويلة، لذا يُستخدم التجميد المبرد. كما يُعدّ التجميد المبرد مفيدًا أيضًا لصناعات تجهيز الأغذية واسعة النطاق.
  • تتطلب العديد من كاميرات الأشعة تحت الحمراء ( التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء ذات الرؤية الأمامية ) تبريد أجهزة الكشف الخاصة بها باستخدام التبريد المبرد.
  • يتم تخزين بعض فصائل الدم النادرة في درجات حرارة منخفضة، مثل -165  درجة مئوية، في بنوك الدم.
  • تم دمج تقنية التبريد باستخدام النيتروجين السائل وثاني أكسيد الكربون في أنظمة المؤثرات الخاصة بالنوادي الليلية لخلق تأثير بارد وضباب أبيض يمكن إضاءته بأضواء ملونة.
  • يُستخدم التبريد المبرد لتبريد رأس أداة القطع أثناء عملية التصنيع ، مما يُطيل عمرها. ويُستخدم الأكسجين لأداء وظائف هامة عديدة في عملية تصنيع الصلب.
  • بتجميد إطار سيارة أو شاحنة في النيتروجين السائل، يصبح المطاط هشاً ويمكن سحقه إلى جزيئات صغيرة. ويمكن إعادة استخدام هذه الجزيئات في أغراض أخرى.
  • تتطلب الأبحاث التجريبية حول بعض الظواهر الفيزيائية، مثل الإلكترونيات الدورانية وخصائص النقل المغناطيسي، درجات حرارة منخفضة للغاية حتى يمكن ملاحظة التأثيرات.
  • يجب تخزين بعض اللقاحات في درجات حرارة منخفضة للغاية. على سبيل المثال، يجب تخزين لقاح فايزر-بيونتك المضاد لكوفيد-19 في درجات حرارة تتراوح بين -90 و-60 درجة مئوية (-130 إلى -76 درجة فهرنهايت) . (انظر سلسلة التبريد ). [ 23 ]  

إنتاج

عادةً ما يتم تبريد الأجهزة والمواد باستخدام النيتروجين السائل أو الهيليوم السائل أو مبرد ميكانيكي (يستخدم أنابيب هيليوم عالية الضغط). وتُستخدم مبردات جيفورد-ماكماهون ، ومبردات الأنابيب النبضية ، ومبردات ستيرلينغ على نطاق واسع، ويتم اختيارها بناءً على درجة الحرارة الأساسية المطلوبة وقدرة التبريد. أما أحدث التطورات في مجال التبريد فهو استخدام المغناطيس كمجددات ومبردات في آنٍ واحد. وتعمل هذه الأجهزة وفق مبدأ يُعرف بالتأثير المغناطيسي الحراري .

أجهزة الكشف

توجد العديد من أجهزة الكشف المبردة التي تستخدم للكشف عن الجسيمات.

لقياس درجات الحرارة المنخفضة جدًا حتى 30 كلفن، تُستخدم مجسات Pt100، وهي عبارة عن كاشف حراري مقاوم (RTD) . أما عند درجات حرارة أقل من 30 كلفن، فيُفضّل استخدام ثنائي سيليكوني لضمان الدقة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ القاموس الدولي للتبريد، http://dictionary.iifiir.org/search.php ، مؤرشف في 2019-10-01 في Wayback Machine .
  2. ↑ مصطلحات ASHRAE، https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology .
  3. ↑ يُعرَّف علم التبريد عادةً بأنه العلم والتكنولوجيا اللذان يتعاملان مع درجات حرارة أقل من 120 كلفن تقريبًا [4، 5]، على الرغم من أن هذه المراجعة لا تلتزم بتعريف صارم عند 120 كلفن. كيه دي تيمرهاوس، آر ريد. هندسة التبريد: خمسون عامًا من التقدم . سبرينغر ساينس + بيزنس ميديا ​​ذ.م.م. (2007)، الفصل: 1.2، بداية علم التبريد، ص 7.
  4. ↑ "حول علم التبريد" . من حيث مقياس كلفن، غالبًا ما تعتبر المنطقة المبردة هي تلك التي تقل عن 120 كلفن تقريبًا (-153 درجة مئوية).
  5. ↑ "DICHLORODIFLUOROMETHANE at Pubchem" .
  6. ↑ "البروبان في Pubchem" .
  7. ↑ JM Nash، 1991، "أجهزة توسيع الدوامة للتبريد عالي الحرارة"، وقائع المؤتمر السادس والعشرين المشترك بين الجمعيات لهندسة تحويل الطاقة، المجلد 4، الصفحات 521-525.
  8. ↑ راديبو، ر. (2007)، "ملخص تاريخي للنشاط التبريدي قبل عام 1950"، في تيمرهاوس، كلاوس د.؛ ريد، ريتشارد ب. (محرران)، هندسة التبريد ، سلسلة الدراسات الدولية في التبريد، نيويورك، نيويورك: سبرينغر، ص 3-27 ، Bibcode : 2007cren.book....3R ، doi : 10.1007/0-387-46896-x_1 ، ISBN  978-0-387-46896-9.
  9. ^ مئوية، أندرس (1742) “Observationer om twänne beständiga Grader på en thermometer” (ملاحظات حول درجتين ثابتتين على مقياس الحرارة)، Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar (وقائع الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم)، 3 : 171–180 والشكل 1.
  10. ↑ دون ريتنر ؛ رونالد أ. بيلي (2005): موسوعة الكيمياء. حقائق على الملف ، مانهاتن ، مدينة نيويورك، ص 43.
  11. ↑ مقياس درجة الحرارة بالفهرنهايت ، موسوعة بريتانيكا على الإنترنت. 25 سبتمبر 2015.
  12. ↑ "فهرنهايت: حقائق وتاريخ وصيغ التحويل" . لايف ساينس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 فبراير 2018 .
  13. ↑ إيفانز، نيكول. "ما هو علم الأحياء التجميدي؟" . www.societyforcryobiology.org . تاريخ الاسترجاع: 27 نوفمبر 2023 .
  14. ↑ هانت، تشارلز (3 أبريل 2011). "الحفظ بالتبريد للخلايا الجذعية البشرية للتطبيقات السريرية: مراجعة" . طب نقل الدم والعلاج بالدم . 38 (2): 107-123 . doi : 10.1159/000326623 . PMC 3088734. PMID 21566712 .  
  15. ↑ "الجراحة البردية لعلاج السرطان" . المعهد الوطني للسرطان . 21 يونيو 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 نوفمبر 2023 .
  16. ↑ «علم التجميد ليس هو نفسه علم التجميد» . الجمعية الأمريكية لعلم التجميد . مؤرشف من الأصل في 2 ديسمبر 2018. تم الاطلاع عليه في 5 مارس 2013 .
  17. ↑ راندال بارون، أنظمة التبريد، شركة ماكجرو هيل للنشر .
  18. ↑ ثيرمال، تيمي. "ملصقات التبريد العميق" . ميدكوم داتا . تم الاسترجاع في 11 أغسطس 2014 .
  19. ↑ غانتز، كارول (2015). التبريد: تاريخ . جيفرسون، كارولاينا الشمالية: ماكفارلاند وشركاه، ص 227. ISBN  978-0-7864-7687-9.
  20. ↑ زوهوري، بهمن (2018). "الفصل 1 - تقنيات التبريد الفائق". فيزياء التبريد الفائق: ظاهرة درجات الحرارة المنخفضة للغاية . إلسيفير. ص 34. doi : 10.1016/C2017-0-01796-2 . ISBN  978-0-12-814519-7.
  21. ^ "تو-155 / تو-156" . www.globalsecurity.org . تم الاسترجاع بتاريخ 2023-11-27 .
  22. ↑ "الهيئة الأوروبية للملاحة الجوية توقع اتفاقية ترخيص نقل التكنولوجيا لنظام التبريد" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يونيو 2015 .
  23. ↑ "تخزين لقاح كوفيد-19 من فايزر-بيونتك والتعامل الآمن مع الثلج الجاف" . فايزر-بيونتك. مؤرشف من الأصل بتاريخ 24 يناير 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 ديسمبر 2020 .

للمزيد من القراءة

  • هاسيلدن، جي جي (1971)، أساسيات التبريد ، دار النشر الأكاديمية، نيويورك، رقم ISBN 0-12-330550-0.