W internecie

www.kopernik.org.pl

A to ciekawe

Więcej doświadczeń

CENTRUM NAUKI

KOPERNIK

Eksper

ymentuj!

CENTRUM NAUKI

KOPERNIK

Eksper

ymentuj!

Eksper

ymentuj!

200°C poniżej zera

Kilka razy w ciągu minuty wciągasz do płuc azot
– główny składnik powietrza.

Jeśli jednak ten sam

azot doprowadzimy do stanu ciekłego, będzie on miał
temperaturę niemal –200° Celsjusza. Przy takim zimnie
znika opór elektryczny, a zamrożony kwiat stłucze się
jak szkło.

Z

godnie z obserwacją Gordona

Moore’a (jednego z założycieli

firmy Intel) moc obliczeniowa proce-

sorów podwaja się co 12–18 miesięcy.

Do niedawna głównym zmartwie-

niem inżynierów była miniaturyzacja

układów scalonych i zaprojektowanie

samego układu elektronicznego. Dziś

podstawowym problemem technicz-

nym jest duża ilość ciepła wytwarzana

na niewielkiej powierzchni rdzenia

procesora. Dobrym przykładem może

być procesor Pentium IV 3,2 GHz. Po-

wierzchnia rdzenia wynosi 112 mm

2

,

a ilość wydzielanego na nim ciepła,

przy maksymalnym obciążeniu pro-

cesora, wynosi 84 W. Gdyby rdzeń

miał powierzchnię 1m

2

, to wypromie-

niowywałby moc równą 840 kW (dla

porównania moc wydzielana przez

żelazko ustawione na maksymalną

temperaturę wynosi ok. 100 kW/m

2

).

Wynika z tego, że współczesne proce-

sory wydzielają od 8 do 10 razy więcej

ciepła na jednostkę powierzchni niż

rozgrzane żelazko!

W tej sytuacji odprowadzanie cie-

pła staje się jednym z najważniejszych

Pracujący pod obciążeniem nowoczesny
procesor komputerowy wydziela
ogromną ilość ciepła. Dlatego obecnie
jednym z największych problemów
hamujących wzrost wydajności
procesorów jest ich chłodzenie

problemów stojących przed konstrukto-

rami szybkich procesorów. Próby używa-

nia ciekłego azotu do chłodzenia proce-

sorów są podejmowane już od dawna.

Wyjątkowo wydajne chłodzenie, jakie

zapewnia ciekły azot o temperaturze

–196°C, jest niezbędne np. w trakcie

ekstremalnego przetaktowywania pro-

cesorów (przyspieszania ich pracy).

Czy ten sposób chłodzenia ma szan-

sę trafić do naszych domowych kom-

puterów? To trochę kłopotliwe, ale

jeżeli okazałoby się, że dodatkowe

koszty związane z zastosowaniem ta-

kiego sposobu obniżania temperatury

zostałyby zrekompensowane przez

wzrost mocy obliczeniowej, to w za-

sadzie nic nie stoi na przeszkodzie,

żeby stosować ciekły azot jako me-

dium chłodzące. Pozostaje oczywiście

problem zaopatrywania się w ciekły

azot, bo choć nie jest on drogi (koszt

porównywalny do wody mineralnej),

to ponieważ stale paruje, należałoby

go często uzupełniać.

Różne pomysły na wykorzystanie
ciekłego azotu
www.physik.uni-augsburg.de/~ubws/
nitrogen.html

Wszystko o azocie
http://pl.wikipedia.org/wiki/
Ciek%C5%82y_azot

Przepisy na nietypowe sorbety
www.browniepointsblog.
com/2007/05/11/liquid-nitrogen-
-sorbets

Ciekły azot i komputery
www.tomshardware.
com/2003/12/30/5_ghz_project

D

o czego jeszcze można użyć cie-

kłego azotu? Okazuje się, że z po-

wodzeniem można go wykorzystać

w kuchni, np. do zrobienia lodów.

Na początku należy przygotować ma-

sę, którą będziemy zamrażać. Potrzebu-

jemy następujących składników:

4 szklanki śmietanki kremówki

(można wymieszać pół na pół z mle-

kiem), 1 laska prawdziwej wanilii,

1 szklanka cukru i oczywiście ciekły

azot (2–4 litry).

Schłodzoną śmietankę ubić z cukrem

i wanilią na bitą śmietanę w metalo-

wym naczyniu. Następnie zachowu-

jąc wszelkie środki bezpieczeństwa

(okulary ochronne, rękawice) wlać do

masy ciekły azot, jednocześnie ener-

gicznie mieszając masę drewnianą

łyżką. Możemy oczywiście zrobić w ten

sposób lody o dowolnym smaku – wy-

starczy dodać szklankę zmiksowanych

truskawek, jagód, jabłek itp. Jedynym

ograniczeniem będzie nasza wyobraź-

nia. Co ciekawe, za pomocą ciekłego

azotu można w prosty sposób przy-

gotować lody (sorbety), które trudno

zrobić tradycyjną metodą – np. sorbet

z dżinu z tonikiem.

Fot. Centrum Nauki K

opernik, archiwum, www

.recipes4us.co.uk

Trochę teorii

Eksper

ymentuj!

Trochę teorii

O historii

Współczesne zastosowania

W

laboratoriach klinicznych ciekły

azot wykorzystywany jest do

zamrażania materiału biologicznego,

np. nasion i tkanek roślinnych, tkanek

zwierzęcych, lub do przechowywania

zapłodnionych komórek jajowych, tzw.

embrionów. Dzięki jego temperaturze

–196 °C proces zamrażania jest bardzo

szybki. Zawarta w każdej żywej tkan-

ce woda, zamieniając się w lód, nie

„zdąża” utworzyć sieci krystalicznej

– powstaje lód bezpostaciowy, który

nie zwiększa objętości w trakcie zama-

rzania. Dzięki temu nie rozsadza on ko-

mórek, a tkanka – po odgrzaniu – jest

w pełni funkcjonalna. W medycynie

ciekły azot stosowany jest też w krio-

terapii polegającej na krótkotrwałym,

ale silnym, oziębianiu zmienionych

chorobowo tkanek.

Azot w postaci ciekłej, jako me-

dium chłodzące, jest również co-

dziennym narzędziem pracy fizyków.

W

pojemniku używanym w trakcie

pokazu przechowywany jest

azot o temperaturze –196°C. Znaj-

duje się on na granicy między sta-

nem ciekłym i gazowym. Paruje całą

objętością lub – mówiąc potocznie

– gotuje się. Unoszący się nad zbior-

nikiem biały dym to skroplona para

wodna. Próby odsłonięcia powierzchni

ciekłego azotu przez zdmuchiwanie

mglistej zasłony są z góry skazane na

niepowodzenie.

W niskich temperaturach przedmioty

miękkie i plastyczne stają się bardzo

twarde i kruche. Banan w tempera-

turze –196°C staje się tak twardy, że

można nim wbijać gwoździe! Ale już

silnie zmrożone jabłko nie jest dobrym

młotkiem – kruszy się w momencie ude-

rzenia. Zarówno banan, jak i jabłko stają

się twarde, ponieważ woda znajdująca

się w ich miąższu zamarza. Jabłko za-

wiera znacznie więcej wody niż banan

(jest soczyste, podczas gdy banan przy-

pomina kleik) i po zamarznięciu staje się

po prostu bryłą kruchego lodu.

Przedmioty, w których składzie

w ogóle nie ma wody, również tward-

nieją w ekstremalnie niskich temperatu-

rach. Ołowiany dzwon w temperaturze

pokojowej nie potrafi wydobyć z siebie

pięknego dźwięku, gdyż jego serce,

uderzając w płaszcz, odkształca miękki

metal, zamiast wprawić go w wibracje.

Ten sam dzwon rozbrzmiewa jednak

pięknym tonem, jeśli zanurzymy go na

chwilę w ciekłym azocie. Dlaczego tak

się dzieje? Przecież w dzwonie z oło-

wiu nie ma wody?!

Cząsteczki (lub atomy), z których

zbudowana jest dana substancja,

oddziałują na siebie siłami (natury

elektrycznej), które stanowią swego

wiotki, jakby uszło z niego powietrze.

Ale spokojnie, balon nie jest dziurawy!

To tylko zamknięte w nim powietrze

bardzo się ochłodziło i zajmuje mniej-

szą objętość. W temperaturze pokojo-

wej zamknięte w baloniku powietrze

ogrzewa się i zwiększa swoją objętość.

Balonik sam się nadmuchuje.

Eksperyment ten wyjaśnia, dlaczego

zimą trzeba się napracować bardziej

niż latem, zanim napompuje się koło

samochodu lub roweru.

Używając ciekłego azotu, możemy

skroplić inne gazy, np. tlen. Gdy wle-

jemy ciekły azot do metalowej puszki,

ścianki naczynia stają się mokre; widać

wyraźnie, że do wysokości, do której

sięga ciekły azot, są one ciemniejsze niż

ścianki powyżej jego poziomu. Obser-

wując to zjawisko, można by sądzić, że

jest to skraplająca się woda. Przecież je-

śli zimną butelkę postawimy w ciepłym

pomieszczeniu, momentalnie pojawiają

się na niej kropelki wody. Ale nasze na-

czynie ma temperaturę ok. –200°C, wo-

da powinna więc zamienić się w lód! Tą

„mokrą” substancją jest... ciekły tlen!

Tlen z powietrza w kontakcie z zimną

puszką ulega skropleniu (temperatura

skraplania –186°C) i spływa po jej ścian-

kach. Aby przekonać się, że rzeczywiście

Ciekły azot jest przechowywany
w specjalnych dobrze izolowanych
zbiornikach zwanych dewarami. Nie
mogą one być szczelnie zamknięte, bo
parujący azot wytwarzałby ciśnienie,
które mogłoby rozerwać dewar

P

ierwszego skroplenia azotu do-

konali w 1883 roku w Krakowie

Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski

– dwaj profesorowie fizyki i chemii

Uniwersytetu Jagiellońskiego. W tych

czasach skraplanie gazów było nie lada

wyzwaniem. Dwaj Polacy zastosowali

metodę kaskadową, tzn. wielokrotnie

wykonywali tę samą procedurę, która

początkowo obniżała temperaturę

o kilkadziesiąt stopni Celsjusza, a na

końcu o kilka stopni. Technika ta by-

ła czasochłonna i droga. Dlatego też

rodzaju „szkielet” usztywniający. Mo-

że on mieć strukturę bardzo regu-

larną (mówimy wówczas o kryszta-

le) lub nieuporządkowaną (tak jak

np. w szkle). Wysoka temperatura

powoduje, że atomy nie są sztywno

osadzone w szkielecie, lecz przez cały

czas drgają. Im słabszy szkielet lub im

mocniej drgają atomy, tym łatwiej cia-

ło odkształcić. W niskiej temperaturze

atomy drgają o wiele słabiej i konstruk-

cja szkieletu usztywnia się. Ciała stają

się twardsze i zazwyczaj bardziej kru-

che (kruchość oznacza, że substancja

woli podzielić się na drobne kawałki

z niezdeformowanym szkieletem, niż

stanowić jeden duży przedmiot z od-

kształconym szkieletem).

Również zachowanie gazów w znacz-

nym stopniu zależy od temperatury. Gaz

zimny zajmuje mniejszą objętość niż gaz

gorący. Po wyjęciu ze zbiornika z cie-

kłym azotem nadmuchany balonik jest

mamy do czynienia z tlenem, wystarczy

pod puszką umieścić płomień świecy.

Tlen spala się błyskawicznie, a już spa-

dające krople ciekłego azotu nie dają

takiego efektu.

W niskich temperaturach prawie

wszystkie przewodniki przechodzą

w stan nadprzewodzący. Charakte-

ryzuje się on m.in. zerowym oporem

elektrycznym. Oznacza to, że prąd

elektryczny może krążyć w pierście-

niu nadprzewodzącym nieskończenie

długo, i to bez podłączonego źródła

prądu. Inną cechą, która wyróżnia

nadprzewodnik, jest wypychanie pola

magnetycznego ze swojego wnętrza

(efekt Meissnera). Niektóre nadprze-

wodniki nie wypychają pola całko-

wicie, lecz pozostawiają w swoim

wnętrzu tzw. wiry pola magnetycz-

nego. Wypychanie pola i chwytanie

wirów powoduje, że nadprzewodnik

lewituje nad magnesem. Efekt ten

można zaobserwować, umieszczając

w polu magnetycznym schłodzoną do

–183°C pastylkę spieku ceramicznego

YBaCuO.

Linie pola magnetycznego zostają
wypchnięte z nadprzewodnika, gdy ten
ma temperaturę (T) niższą od krytycznej
(Tc) (efekt Meissnera)

współcześnie stosuje się chłodzenie

gazu metodą rozprężania, wykorzy-

stując tzw. efekt Joule’a-Thomsona.

Zjawisko to możemy obserwować,

gdy maksymalnie otworzymy zawór

turystycznej butli gazowej. Sprężony

gaz, wydostając się z butli, zwiększa

swoją objętość i ulega gwałtownemu

ochłodzeniu. Na zaworze butli osadza

się szron. Stosowana obecnie metoda

skraplania azotu jest tania i wydajna

– litr ciekłego azotu kosztuje tyle co

litr wody mineralnej.

Zygmunt Wróblewski (z lewej) wraz z Karolem Olszewskim 5 kwietnia 1883 roku dokonali
pierwszego na świecie skroplenia tlenu. Kilka dni później ta sama sztuka udała się im
z azotem

Na ściankach metalowego naczynia,
w którym znajduje się ciekły azot,
pojawiają się krople cieczy – to skrop-
lony tlen

Zbudowana w Yamanashi (Japonia) kolej
magnetyczna JR-Maglev (od magnetic
levitation) nie jeździ po szynach, tylko
unosi się nad nadprzewodzącymi
magnesami. Brak tarcia sprawia, że
pociąg rozwija prędkość 600 km/h

Tabletka spieku ceramicznego YBaCuO schłodzona do –183°C staje się nadprze-
wodnikiem i dzięki temu może lewitować w polu magnetycznym

Do obserwacji subtelnych zjawisk

mikroświata potrzebują oni jednak

obniżenia temperatury próbek nawet

poniżej –270°C. Aby uzyskać tak silne

oziębienie, stosują ciekły hel, którego

temperatura wynosi –269°C.

Fot. W

ikipedia, Jacek Błoniarz-Łuczak, archiwum 2x, Corbis; rys. Małgorzata Świen

tczak 2x