التبريد المغناطيسي – الجزء الأول

MIT-Magnetic-Cooling-01

 

 تاريخ التبريد المغناطيسي ومبادئه

على الرغم من الاستمرار في تطوير عملية التبريد بشكل واسع ولكن إلى يومنا هذا ما نزال نستخدم تقنية التبريد التقليدية ضغط سوائل التبريد ،التي تمتلك مردودا كبيرا ، ولكن الاستخدام الكبير لها أدى إلى أضرار بيئية كبيرة كاستنزاف طبقة الأوزون نتيجة التركيبة الكيميائية لسوائل التبريد المستخدمة ،وأما الثلاجات المستخدمة مؤخراً تم العمل عليها بيئياً ،ولكن لم تحقق الهدف المرجو منها، ولهذا السبب يعمل الباحثون والمهندسون على تصميم وتطوير ثلاجات تعمل على تقنيات جديدة وهنا يعول الباحثون على تقنية التبريد المغناطيسي.

*
إن مردود الثلاجات المغناطيسية أعلى من مثيلاتها الثلاجات التقليدية الانضغاطية بنسبة 15% إلى 20%، حيث يتم استخدام مواد مغناطيسية حرارية كمواد تبريد عوضاً عن سوائل التبريد بالإضافة للماء (وسيط التبريد) وحتى يمكن استخدام الهواء، فما يهمنا هو استخدام مائع فعال في نقل الحرارة، وليس له ضرر على البيئة والإنسان.

*
تعتمد الثلاجات المغناطيسية على تأثير فيزيائي يعرف بالتأثير المغناطيسي الحراري، وهناك اهتمام واضح ومتزايد في عالم التبريد باستخدام الثلاجات المغناطيسية، كثلاجات شائعة للاستخدام المنزلي، ومن المؤكد أن هذه التكنولوجيا الجديدة ستكون المفاجأة في السنوات القادمة، ولكن هذا سيحتاج إلى البحث والقيام بجهد كبير، والوقت.

*

القواعد الأساسية في التبريد المغناطيسي :
بدأت عملية تطوير التبريد المغناطيس في عام 1881 عندما قام الفيزيائي الألماني Emil Warburg باكتشاف التأثير المغناطيسي الحراري للحديد، والذي بقي مؤخراً يُستفاد منه في عمليات التجميد (تبريد بدرجات حرارة منخفضة جدا).

*
إن استخدام التبريد المغناطيسي للتحكم بدرجة حرارة الغرفة بدأ يظهر خصوصاً مع اكتشاف مواد تمتلك التأثير المغناطيسي الحراري وتكون قابلة للعمل التبريدي ضمن درجة حرارة الغرفة، وطبعا هذه المواد هي عبارة عن خلائط معدنية نادرة وغالية الثمن، وبهذا الاكتشاف أصبحت تكنولوجيا التبريد المغناطيسي أكثر تطبيقا واستخداما للحفاظ على درجة حرارة الغرفة.

*
التأثير المغناطيسي الحراري:
هذا الاكتشاف كان بمثابة الإضافة لعمليات التدفئة والتبريد خصوصاً بوجود المواد التي لها التأثير المغناطيسي الحراري، والتي يظهر تأثيرها عند أي تغير ظاهري في الحقل المغناطيسي، ولكن في السنوات الخمسين الأخيرة Debye وGiauque قاما بشرح وتفسير طبيعة التأثير المغناطيسي المطبق في ثلاجات التجميد.

*

phycial principle1

 

رسم توضيحي -1- يوضح التأثير المغناطيسي الحراري

*
لفهم التأثير المغناطيسي الحراري بشكل أفضل وتطبيقات التبريد المغناطيسي علينا التعمق بالنظام المحافظ على الحرارة (أو ما يسمى اصطلاحا الكاظم للحرارة) adiabatic system وفهم عمل المواد المغناطيسية الحرارية. كما في الرسم التوضيحي -1- .

*
عندما تكون المواد المغناطيسية الحرارية غير معرضة للحقل المغناطيسي المولد، فإن العزوم المغناطيسية المتولدة الممثلة بشكل أشعة في تلك المواد تكون بشكل فوضوي ومضطربة، أما عند توليد وتطبيق الحقل المغناطيسي فإن العزم المغناطيسي يصبح اتجاهه منتظم، وموافق لاتجاه الحقل المغناطيسي المطبق. (يمتثل الرمز∆S تغير الانتروبي).

*

إذا أخذنا إحدى النقاط المغناطيسية من المادة الموضوعة بالحقل المغناطيسي وقمنا بدراستها حرارياً لاحظنا انخفاض الانتروبي فيها ” ولفهم مصطلح الانتروبي يمكننا القول وبشكل مختصر: هي مصطلح هام يستخدم في علم الترموديناميك وبحسب قانون الترموديناميك الثاني إن أي تغير يحدث تلقائياً في نظام فيزيائي لا بد وأن يصحبه ازدياد في مقدار الانتروبي”، وهذا يقود إلى أن هذا النظام المحافظ على الحرارة تزداد فيه درجة حرارة المواد المعرضة للحقل.

*
إن العملية العكسية التي نلاحظ حدوثها عند إخراج المادة المغناطيسية الحرارية من الحقل المغناطيسي، فنلاحظ عودة العزم المغناطيسي إلى عشوائيته ويفقد انتظامه، وهذا يسبب إلى ازدياد في الانتروبي وهذا يتطابق مع انخفاض في درجة الحرارة عكس العملية السابقة وبالنتيجة انخفاض في درجة الحرارة وهذا يؤدي إلى تبريد النموذج كما في الرسم التوضيحي-1- .

*
التأثير المغناطيسي الحراري يمكن تمثيله ووصفه بتغير الانتروبي للمواد المغناطيسية الحرارية والمعرضة لحقل مغناطيسي خارجي.

*
التأثير المغناطيسي الحراري يكون أكبر حول المواد التي تشع حرارة، وحيث هذه الخاصة الفيزيائية تتمتع بها المواد المغناطيسية الحديدية، ولهذا السبب فانه من المهم استخدام مواد مغناطيسية حرارية تتمتع بخاصية الإشعاع الحراري.

*
في السنوات الأخيرة تم تطوير مواد مغناطيسية حرارية جديدة وكانت أكثر مناسبة وفعالية للثلاجات المغناطيسية الموجودة ضمن درجة حرارة الغرفة، وبالرغم من ذلك لم تأخذ تلك المواد أفضلية واضحة لاستخدامها.

*

Magnetocaloric_effect1.04a

 

*

المصدر