Как связаны варёные стельки и материалы с фазовым переходом?

Внутри волшебных стелек находился специальный состав, который плавился при повышении температуры (варке в кастрюле) и кристаллизовался с выделением тепла при появлении центра кристаллизации. Центр кристаллизации формировался с помощью обычной батарейки. Получалась этакая обратимая грелка. Эта группа материалов, которым заполняли стельки, называется материалами с фазовым переходом.

Принцип действия материала с фазовым переходом основан на его способности поглощать или выделять большое количество скрытой теплоты в процессе фазового перехода (из твердого в жидкое или наоборот) при постоянной температуре.

Удивительно, но вокруг нас примеров таких материалов очень много. Например к ним относятся парафин и стеариновая кислота. Скажу больше - практически любой материал подходит для использования в качестве материала с фазовым переходом 🤪. Проблема лишь в том, что далеко не для всех материалов или веществ мы можем работать с приемлемым диапазоном температур.

Принцип работы материала с фазовым переходом можно описать следующей схемой:

🔹 "Зарядка" (или поглощение тепла). На этом этапе материал с фазовым переходом подвергается воздействию источника тепла или среды с более высокой температурой. Структура жадно поглощает тепловую энергию. Если материал уже кристаллизован, то по мере повышения температуры происходит фазовый переход от твердого состояния к жидкому. Во время этого перехода поглощается значительное количество тепловой энергии. Эта энергия называется скрытой теплотой. Для этого стельки и варили в котле.

🔹 Нахождение в бездействии. Материал, накопивший энергию, может храниться в таком виде долгое время. Для того, чтобы запустить обратный процесс, требуется или создать центр кристаллизации или же создать подходящие условия. Иногда такими условиями моет считаться простое охлаждение.

🔹 Разрядка (отдача тепла). При некотором внешнем воздействии расплав начинает кристаллизоваться. Это сопровождается выделением тепла, как и любая кристаллизация. Пока материал перестраивает структуру, объект нагревается. Во время этого процесса (процесса смены фазы) высвобождается накопленная скрытая тепловая энергия. Пока происходит кристаллизация выделяется тепло.

На первый взгляд можно подумать, что это баловство и дальше грелок для ног технология вряд ли пойдет. Но на практике к этой группе материалов появился огромный интерес.

Например, если использовать его в качестве утепления для домов, то это может оказаться очень полезным в некоторых регионах на нашей планете.

Возьмем, например, пустыню. Там очень холодно по ночам, но днем температуры невыносимые. Если построить в пустые дом и теплоизолировать его материалом с фазовым переходом, то днём он будет накапливать тепловую энергию, которой в это время там настоящее изобилие, а ночью энергия будет отдана обратно. Такая хитрость позволит исключить использование нагревателей и расход энергии.

Серьезным сдерживающим фактором тут могла бы быть специфика поведения самого материала. Ведь когда он жидкий, то для его хранения требуется некоторая емкость. В случае стелек, про которые мы уже воспоминали, это был отсек, напоминающий грелку, в котором находилась жидкость и вместе с которым вся система варилась на плите. В случае кофейных чашек с подогревом делалась емкость с двойными стенками. Но если сделать, например, кирпич с двойными стенками или просто расположить такой материал внутри емкости, то ничего хорошего из этого не получится.

Но проблема была решена несколько лет назад. Ученые научились делать композиты, содержащие отсеки для материалов с фазовым переходом с помощью 3D-принтера без потери их основных свойств. Представьте себе, что внутри бетона будут содержаться герметичные сферы, в которых расположен такой материал. Он сможет работать в обычном режиме.

Хочу ещё поделиться ссылкой на канал, где я собираю разные невероятные изобретения и рассказываю о принципах изобретательского мышления. Наверняка вам будет интересно, если вы дочитали эту заметку до конца.