Posted by: Aba Cohen | July 16, 2008

Geladeira Magnética ———– Magnetic Fridge

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 Se depender dos avanços consecutivos das pesquisas com materiais magnetocalóricos, estão contados os dias das geladeiras convencionais, envolvendo antiquados compressores. A nova tecnologia que desponta promete o uso de materiais magnetizáveis especiais que, ao serem desmagnetizados, teriam a mesma função refrigerante dos gases (freon ou outros substitutos) ao serem expandidos: À semelhança de um “gelo magnético” tais materiais absorvem calor de suas vizinhanças ao passarem do estado magneticamente ordenado -que no gelo real corresponde à ordem cristalina- para o estado magneticamente desordenado -que no gelo, corresponde a seu derretimento. Os materiais magnetocalóricos vêm sendo investigados há cerca de dez anos, desde que Pecharsky e Gschneidner (University of Ames-USA-1997) descobriram o Efeito Magnetocalorico Gigante no composto Gd5Ge2Si2. Esses estudos tiveram grande impulso quando o grupo brasileiro liderado por Sérgio Gama (Unicamp-2004) descobriu o Efeito Magnetocalórico Colossal no composto MnAs.

Em todos esses processos (magnético, gelo ou dos gases) o que produz o resfriamento do sistema é a passagem do sistema (magneto, gelo ou gás) de uma situação mais organizada (imã com átomos e elétrons alinhados, segundo uma orientação magnética específica – no caso magnético – ou moléculas da água ou do gás num estado de compressão tal que se assemelha ao de um vapor quase que condensado no estado líquido) para uma situação mais caótica (desmagnetização causada pela subita retirada de um campo magnético externo, fusão do gelo ou da rápida expansão do gás).

Para explicar melhor, vamos lembrar do que acontece com o jato de um tubo “spray”, quando liberamos rapidamente o líquido (ou quase-líquido) que se encontrava comprimido no interior do tubo: Quem já fez essa experiencia sabe que a brusca expansão do “líquido” para o meio ambiente -onde a pressão é menor que no interior do tubo- faz com que o jato saia “geladinho”. Para essa operação de desordenamento, os físicos utilizam o termo ENTROPIA, que se relaciona exatamente à DESORDEM: Nos três exemplos mencionados observa-se um aumento da ENTROPIA e essa transformação exige o consumo de energia da vizinhança (imediato ou após algum tempo). Este é o princípio em que os refrigeradores se baseiam para funcionar. No caso dos materiais com Efeito Magnetocalórico Colossal, observa-se uma dupla transformação: Magnética e estrutural, simultâneas o que faz com que a retirada de energia das vizinhanças seja ainda maior. É como se o gelo que resfria a bebida fundisse duas vezes.

—————– X ——————

The magnetocaloric materials are likely to be the next generation of  cryogenic materials, replacing the old compressors used in conventional fridges. Similarly to a “magnetic ice”   the magnetocalloric materials transform magnetic ordering (that in ice corresponds to the crystal structure) into magnetic disrodering (heat absorption that in ice ptovokes/corresponds to its melting). Such a magnetic process has been studied more intensively in the last ten years when Pecharsky and Gschneidner (University of Ames-USA-1997) discovered the Giant Magnetocaloric Efect in Gd5Ge2Si2. A huge momentum has been done by Sergio Gama and his Brazilian Group (Unicamp-2004) after the discovery of the Colossal Magnetocalóric Effect in the MnAs system. We are also involved on the study of this and other  similar materials at UFMG-Brazil.

In all systems (magnetic, ice or gas) the freezing property is related to the transformation from an ordered state (magnetic, structural or condensed gas) to a disordered  one, observed as a consequence of the removal of a magnetic field, or melting or a rapid gas expansion.

 

This is what happens when a  liquid or condensed gas in a spray tube expands sudenly: the gas has the freezing effect well known by everyone who experienced it. The physicists define the disordering action using the term ENTROPY, related  straightforwardly to DISORDER. In all referred processes we observe an increase of ENTROPY and this demands the removal of heat (imediate or after a while) from the neighborhood. This is the principle  used in all fridges. In the Colossal Magnetocaloric Effect we observe a double transformation: magnetic and structural, simultaneously, removing even more heat from the neighborhood. It is like a “super-ice” with a double melting process to cool your drink.


Responses

  1. Porque que quando o gas se expande refrigera?

    • Olá Mayra, sua pergunta é interessante e mostra que você está antenada nesse “fato curioso” do gás esfriar na expansão -mas note que o resfriamento só ocorre se a expansãp for sem entrar calor no sistema, como por exemplo numa expansão brusca, como mostro abaixo- Muitos poderiam pensar até mesmo num aquecimento, imaginando que, na expansão, a velocidade das moléculas aumentaria (e em consequencia T também). Colocada mais essa dúvida na cabeça de todos, respondo com 2 exemplos o porquê dele esfriar: (1) tomemos um gás em alta pressão, dentro de um cilindro êmbolo sobre o qual há um peso; se não horver entrada de calor no sistema (isto corresponde ao que denominamos “expansão adiabática”), ao empurrar o êmbolo para cima de modo a aliviar a pressão, o peso ganhará energia potencial e algém terá que perder energia.. quem perde energia é o gás consequentemente sua temperatura T (que é proporcional à energia das moléculas) cairá. (2) vamos considerar a denominada “expansão livre” de um gás dentro de um cilindro sob alta pressão (um spray por exemplo, onde P > Patm) que repentinamente liberamos para expandir para a atmosfera, por exemplo . Nessa situação volume irá aumentar mas a pressão irá cair bastante, numa proporção maior que aquela prevista pela expansão isotérmica. Essa queda de pressão numa proporção mais acentuada que o aumento de volume, sem dar tempo para que o gás receba energia externa, corresponde a uma situação de energia interna (que é proporcional a T) menor qua a anterior. Lembre-se de que quando T cai, P tende a cair -e vice versa- mas se P cai MUITO => sistema + frio ainda, mesmo que V cresça um pouco, mas sem conseguir compensar a situação isotérmica – logo o gás fica mais frio.


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