Co to są materiały zmiennofazowe?

Materiały zmiennofazowe to materiały, których różnorodne zastosowania popularyzowane są na całym świecie, a wywodzą się głównie ze środowiska budownictwa pasywnego i energooszczędnego. Świetnie sprawdzają się one jednak w dużo szerszej perspektywie - we wszystkich miejscach budownictwa i przemysłu, uzupełniając lub zastępując istniejące technologie przemysłowe związane z przepływem lub gromadzeniem ciepła. W przeciwieństwie do dotychczasowych rozwiązań pozwalają one bowiem na znaczne obniżenie kosztów szeroko pojętego ogrzewania czy chłodzenia. Materiały te nazywamy wymiennie: materiałami zmiennofazowymi, materiałami przemiany fazowej, lub skrótem PCM (ang. Phase-Change Materials).

Aby opisać fenomen materiałów PCM musimy rozpocząć od określenia podstaw fizycznych, które, podane w uproszczeniu, pozwolą zrozumieć zasadę działania przemiany fazowej.

Podstawy fizyczne

Podstawowymi pojęciami w opisie zjawisk cieplnych interesujących nas, są ciepło i temperatura. Choć terminy te są dziś znane każdemu, musimy im na chwilę bliżej przyjrzeć.

Zmysł dotyku mówi nam że jedne ciała  są „gorące” a inne są „zimne”. Wszelkie wątpliwości w tej kwestii rozstrzygamy najczęściej za pomocą pomiaru temperatury. Termometr jest więc przyrządem, który za nas „dotyka” badanego ciała, a wynik ten podaje w postaci liczbowej, który nazywamy temperaturą. Czym innym niż temperatura będzie natomiast ciepło. Ciepło, w dużym uproszczeniu, jest tym „czymś”, co powoduje wzrost temperatury danego materiału. Stawiając naczynie z wodą na kuchence gazowej  uzyskamy wzrost temperatury wody na skutek „wniknięcia” energii (ciepła) przekazywanej przez palnik do wody.

Drugim aspektem związanym silnie z tematyką materiałów zmiennofazowych, jest stan skupienia. Wszystkie czyste substancje w przyrodzie mogą zmieniać swój stan skupienia: na przykład ciało stałe może stać się cieczą (np. lód zamienia się w wodę), ciecz -  gazem (woda – w parę wodną). Każdorazowo przemiany te wymagają dostarczenia ciepła (woda staje się gazem) lub oddania ciepła (ciecz staje się ciałem stałym). Przechodzenie danej substancji z jednego stanu skupienia do drugiego nazywamy przemianą fazową. Proces ten również ma najczęściej swoje zwyczajowo używane nazwy: topnienie, parowanie, krzepnięcie itd.

Skoro mamy już te podstawy za sobą, możemy przejść nareszcie do najciekawszego w tym wszystkim sedna!

Wyobraźmy sobie jakieś pierwsze lepsze, ciało fizyczne. Podczas ogrzewania tego ciała (dostarczanie ciepła), jego temperatura rośnie. Jeżeli będziemy "odbierać" z niego ciepło, temperatura spadnie (proces chłodzenia). Proste. Wydawać by się mogło, że to zjawisko uniwersalne. A jednak wyjątki od tego istnieją - i nazywamy je właśnie materiałami zmiennofazowymi. 

Zasada działania 

Materiały zmiennofazowe to związki, które pomimo wystawienia na proces ogrzewania lub schładzania, w określonych warunkach otoczenia wcale nie będą zmieniały swojej temperatury. Pomimo dostarczania ciepła, nie będziemy w stanie zaobserwować termometrem wzrostu temperatury materiału PCM. Robi to wrażenie ”ukrywania się” ciepła w bardzo konkretnym punkcie temperaturowym. Jako, że zjawisko „ukrywania się” ciepła zachodzi zawsze w stałej temperaturze, nazywana jest ona temperaturą przemiany fazowej danego materiału PCM. Przemiana fazowa może mieć miejsce nieskończoną ilość razy.

Dla prostego pokazania tego procesu weźmy jako przykład zachowanie się najbardziej popularnego na świecie materiału PCM, czyli wody. Woda posiada dwa punkty przemiany fazowej: 0°C oraz 100°C.

Wrzucamy lód w kostkach (woda 0°C), do szklanki z napojem o temperaturze pokojowej. Co się dzieje? Napój ochładza się pomimo dostarczania ciepła z zewnątrz. Dzieje się to tak długo, aż lód (materiał PCM) stopnieje i nie będzie w stanie już „ukrywać” dostarczanego ciepła. Podobnie w temperaturze 100°C. Dostarczanie ciepła spowoduje podgrzanie wody do temperatury 100°C, wrzenie i parowanie. Dostarczanie nadal dowolnej ilości ciepła nic nie zmieni. Stała temperatura będzie utrzymywana do czasu całkowitej zmiany stanu skupienia wody w stan gazowy. 

W uproszczeniu możemy więc przyjąć, że fenomen PCM polega na tym, że podczas ogrzewania materiały te będą w pewnych warunkach magazynowały ciepło, a podczas ochładzania otoczenia – będą je oddawać

Wykorzystanie w praktyce

Zastosowań materiałów PCM obecnie jest naprawdę sporo a ich ilość cały czas rośnie. Bardzo ważną obecnie rolę pełnią one w nurcie budownictwa energooszczędnego i pasywnego. Projektując ogrzewanie domku jednorodzinnego, możemy wyposażyć konstrukcję w elementy działające zmiennofazowo. Ogrzewając dom, ogrzewamy przy okazji materiał zmiennofazowy. Magazynuje on w sobie ciepło w danej temperaturze, na przykład w 23°C. Po jakimś czasie, gdy temperatura otoczenia spadnie poniżej tej temperatury, PCM zacznie uwalniać ukryte w sobie ciepło. Z tego względu materiały te nazywa się czasem też magazynami energii cieplnej (thermal energy storage) lub biernym źródłem ciepła. Oczywiście powyższy przykład to jedno z prostszych zastosowań, ale zasadę tę można przekładać praktycznie wszędzie. 

Materiały zmiennofazowe stosuje obecnie się w chłodnictwie, klimatyzacji, wentylacji, ogrzewaniu, medycynie, przemyśle odzieżowym, motoryzacyjnym, spożywczym, przy procesach technologicznych, itd. 

Celem tego bloga jest pokazanie i wyjaśnienie poszczególnych rozwiązań, tak, aby zapoznać Was, drodzy Czytelnicy z niezwykłym i fascynującym światem rozwiązań PCM.

Źródło: internet