Làm lạnh từ

1. Làm lạnh theo kiểu nén giản khí

Tuyệt đại đa số máy móc làm lạnh ta đang dùng như điều hóa nhiệt độ, tủ lạnh, máy làm nước đá v.v… đều làm lạnh theo cách nén giãn khí. Chutrình làm lạnh gồm 4 quá trình như vẽ ở hình 1a.

1. Nén khí, khi đang ở nhiệt độ thường bị nóng lên.

2. Cho nhiệt độ tỏa ra để khí nguội lại

3. Cho khí giãn nở, khi bị lạnh đi

4 Thu nhiệt ở ngoài truyền vào để khí lạnh trở lại nhiệt độ bình thường

Quá trình 4 cho xảy ra ở trong buồng hoặc ở nơi cần làm lạnh, quá trình 2 cho xảy ra ở nơi có thể tải nhiệt phân tán đi xa cho cân bằng với môi trường xung quanh. Dùng động cơ để nén khí liên tục thực hiện 4 quá trình trên. Lượng khí nhất định gọi là khí công tác luân chuyển trong hệ nơi bị nén, nơi bị giãn đã lấy nhiệt ở nơi cần làm lạnh để đẩy ra ngoài, thực hiện vai trò máy bơm nhiệt. Muốn việc làm lạnh đạt được hiệu suất cao phải chọn khí công tác thích hợp. Trước đây người ta chọn khí công tác là NH ₃(amonic) nhưng khí này độc hại. Về sau người ta chọn khí CFC hoặc HFC không độc hại, hiệu suất làm việc có thể đến 40%. Hầu hết máy lạnh hiện nay đều sử dụng các loại khí này. Nhưng khí này lúc phát tán vào trong không khí bay lên cao làm phá hoại tầng ozon. Tầng này có nhiệm vụ quan trọng là bảo vệ, chặn bớt tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời truyền xuống mặt đất. Tóm lại nhược điểm quan trọng của kỹ thuật làm lạnh theo kiểu nén giãn hiện nay là hiệu suất không cao (tối đa là 40%) và thải ra khí phá hoại tầng ozon, làm cho tia tử ngoại chiếu xuống mặt đất quá mạnh, rất có hại cho đời sống sinh thực vật trên trái đất.

Làm lạnh là một nhu cầu rất lớn không thể thiếu của con người. Tính toán ra thì 40 đến 50 phần trăm điện sinh hoạt là tiêu tốn để làm lạnh (điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, kho chứa thực phẩm….). Phải tìm cách làm lạnh khác không làm hỏng tầng ozon, hiệu suất cao hơn.

2. Làm lạnh kiểu từ

a. Hiệu ứng từ nhiệt

Nhà vật lý người Đức Emil Warburg từ năm 1881 đã phát hiện là mẫu sắt (vật liệu từ) khi đưa vào từ trường bị nóng lên một ít (cỡ vài phần trăm độ) và khi đưa ra khỏi từ trường lại bị lạnh đi. Người ta gọi đó là hiệu ứng từ nhiệt.

Nghiên cứu về hiệu ứng này, các nhà khoa học giải thích khá tường tận trên cơ sở nhiệt động học thống kê. Có thể tóm tắt như sau: Xét về mặt từ thì vật liệu từ là một hệ gồm các momen từ. Khi đưa vào từ trường hệ các momen từ có xu hướng nằm song song với từ trường ngoài. Nói cách khác, trật tự của hệ các momen từ tăng lên hay mức độ hỗn loạn của hệ giảm xuống. Về mặt thống kê nhiệt động, mức độ hỗn loạn của một hệ được đặc trưng bằng một đại lượng là entropy S. Biến thiên entropy S của một hệ liên quan đến nhiệt độ T và nhiệt lượng Q trao đổi theo công thức

Từ đây có thể giải thích ở hiệu ứng từ nhiệt có sự tỏa nhiệt và nhận nhiệt khi đưa vật liệu từ vào ra khỏi từ trường là do có sự thay đổi mức độ hỗn loạn entropy của hệ các momen từ. Các phép tính toán kỹ lưỡng được thực hiện trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học thống kê.

Từ năm 1930 người ta đã sử dụng hiện tượng này để làm lạnh rất sâu, xuống đến nhiệt dộ gần đến nhiệt độ không tuyệt đối nhờ phương pháp gọi là khử từ đoạn nhiệt. Sau này khi có được nam châm siêu dẫn nhiều nhà khoa học cũng đã chế tạo được những máy làm lạnh kiểu từ, cho phép làm lạnh trong những điều kiện rất đặc biệt phục vụ nghiên cứu. Nhưng chế tạo máy làm lạnh từ có thể thay thế cho các máy làm lạnh phổ biến kiểu nén giãn khí thì chưa thể được vì chưa tìm được vật liệu từ nhiệt phù hợp và nam châm vĩnh cửu mạnh

Mãi đến năm 1997 hai nhà khoa học V.K Pecharsky và K.A. Gschneidner tìm ra được vật liệu từ nhiệt khổng lồ trên cơ sở đất hiếm là Gd ₅(Si ₂Ge ₃) cùng với việc trước đó không lâu đã chế tạo được nam châm vĩnh cửu đất hiếm rất mạnh kiểu NdFeB thì việc làm lạnh từ cho dân dụng mới trở thành hiện thực.

b. Máy làm lạnh kiểu từ

Về nguyên tắc, chu trình làm lạnh cũng gồm 4 quá trình như vẽ ở hình 1b

1. Đưa vật liệu từ vào từ trường làm từ hóa, vật liệu từ nóng lên.

2. Cho nhiệt tỏa ra để vật liệu bị từ hóa nguội lại

3. Đưa vật liệu từ ra khỏi từ trường làm từ hóa để khử từ. Vật liệu từ lạnh đi

4. Cho nhiệt ở ngoài truyền vào để cho vật liệu từ hết lạnh, trở lại nhiệt độ ban đầu.

Tương tự ở ngoài truyền vào để cho vật liệu nén giãn khí, có nhiều cách bố trí để làm lạnh từ. Cơ cấu chung của máy làm lạnh từ như sau (hình 2):

Có một đĩa tròn trên có những dải có chứa vật liệu từ nhiệt khổng lồ thí dụ Gd ₅(Si ₂Ge ₂) (dưới dạng nhiều hạt bi nhỏ để dễ tỏa nhiệt, thu nhiệt). Đĩa quay qua khe của nam châm đất hiếm, nơi tập trung đường sức, từ trường rất mạnh. Khi vào khe, vật liệu từ nhiệt nóng lên. Nước được bơm qua đấy để làm nguội vật liệu từ nhiệt. Khi vật liệu từ nhiệt quay ra khỏi khe, không còn từ trường, vật liệu từ nhiệt lạnh đi. Nước cũng được bơm qua đấy để thu nhiệt làm lạnh, làm cho vật liệu từ nhiệt hết lạnh trở về nhiệt độ bình thường lúc đầu. Như vậy ở cách làm lạnh từ, chỉ cần động cơ để quay đĩa có các dải vật liệu từ nhiệt và bơm nước để tỏa nhiệt và thu nhiệt.

Vấn đề chế tạo máy làm lạnh từ hiện nay chỉ gặp khó khăn là hai loại vật liệu chủ yếu là vật liệu từ nhiệt khổng lồ và vật liệu để làm nam châm vĩnh cửu cực mạnh đều phải cần dùng đến đất hiếm. Trung Quốc đang làm chủ 98% đất hiếm bán ra trên thế giới nên có vai trò rất quan trọng trong việc phổ biến thương mại hóa các máy móc làm lạnh từ. Cần chú ý rằng chuyển sang cách làm lạnh từ không những không làm hư hại tầng ozon mà hiệu suất làm lạnh cũng tăng lên, đạt mức 60%, cao hơn 20% so với mức tối đa 40% ở cách làm lạnh bằng nén giãn khí. Máy làm lạnh từ gọn hơn, chạy êm hơn máy làm lạnh theo kiểu nén giãn.

Trong công nghệ xanh hiện nay người ta rất chú ý phát triển cách làm lạnh từ thay cho cách làm lạnh nén giãn cũng như phát triển ôtô điện thay cho ôtô chạy xăng Việc phát triển này đang gặp khó khăn vì vấn đề khủng hoảng đất hiếm.