Úvod
Para a chladenie sú základné fyzikálne javy, ktoré majú zásadný vplyv na prírodné procesy, klímu a ekosystémy. V tomto článku sa pozrieme na to, ako tieto javy vznikajú, aký majú význam v prírode a ako ich ovplyvňuje ľudská činnosť. Zameriame sa aj na špecifické prípady, ako je tvorba rosy, hmly a námrazy, a na to, ako sa tieto javy prejavujú pri extrémne nízkych teplotách.
Vznik pary a jej význam v prírode
Para je plynné skupenstvo vody, ktoré vzniká odparovaním pri zahriatí vody. Odparovanie je proces, pri ktorom molekuly vody získavajú dostatočnú energiu na to, aby prekonali intermolekulárne sily, ktoré ich držia pohromade v kvapalnom stave. Tento proces môže prebiehať pri rôznych teplotách, nielen pri bode varu vody.
V prírode sa para tvorí najmä v dôsledku slnečného žiarenia, ktoré ohrieva vodné plochy, ako sú rieky, jazerá a oceány. Voda pri vyššej teplote mení svoje skupenstvo na paru, ktorá sa následne dostáva do ovzdušia. Para zohráva kľúčovú úlohu v kolobehu vody, ovplyvňuje počasie aj klímu.
Kolobeh vody a vplyv pary na klímu
Vznik pary a chladenia má zásadný význam pre kolobeh vody na Zemi. Bez týchto procesov by neexistovali oblaky, zrážky ani obnovovanie zásob podzemnej vody. Para, ktorá sa odparuje z oceánov, riek a jazier, sa dostáva do atmosféry, kde sa ochladzuje a kondenzuje na malé kvapôčky, ktoré tvoria oblaky. Tento proces je základom pre vznik zrážok, ako sú dážď, sneh alebo snehové prehánky.
Para v atmosfére je jedným z najvýznamnejších skleníkových plynov, ktorý reguluje teplotu planéty. Keď sa para kondenzuje a vytvára oblaky, ovplyvňuje množstvo slnečného žiarenia, ktoré dopadá na povrch Zeme. Oblaky môžu odrážať slnečné lúče späť do vesmíru, čím ochladzujú povrch, alebo naopak zadržiavať teplo, najmä v noci.
Prečítajte si tiež: Liečba detskej koliky
Extrémne prejavy pary
Nadmerná para však môže viesť aj k zvýšenej vlhkosti, čím podporuje vznik tropických búrok, hurikánov a extrémnych lejakov. Z dlhodobého hľadiska para a jej cyklus ovplyvňujú aj migráciu živočíchov, rozšírenie rastlinných druhov a celkovú rovnováhu v prírode.
Chladenie a jeho úloha v prírode
Chladenie je v prírode rovnako dôležité ako ohrev. Umožňuje prebiehajúce procesy, ktoré zabezpečujú prežitie rastlín, živočíchov a ľudí. Chladenie umožňuje vznik mikroklím, ktoré sú nevyhnutné pre špecifické druhy rastlín a živočíchov. Tento proces tiež bráni prehriatiu povrchu krajiny počas horúcich letných dní. V biotopoch, kde je pravidelné striedanie teplých a chladných cyklov, sa vyvinuli unikátne druhy prispôsobené na tieto podmienky.
Vplyv priemyselného chladenia na životné prostredie
Priemyselné chladenie, najmä v energetike a potravinárskom priemysle, má významný vplyv na životné prostredie. Veľké elektrárne a továrne spotrebúvajú obrovské množstvo vody na chladenie, čo môže viesť k jej nedostatku v okolí a ovplyvniť miestne ekosystémy. Pri úniku umelých chladív do ovzdušia dochádza k poškodeniu ozónovej vrstvy a zvyšovaniu množstva skleníkových plynov, ktoré urýchľujú globálne otepľovanie. Ďalším problémom je vysoká spotreba energie na chladenie. Priemyselné chladenie môže ovplyvniť aj mikroklímu v okolí závodov a veľkých miest, kde vznikajú tzv. tepelné ostrovy - oblasti s vyššou teplotou ako okolie.
Udržateľné riešenia
V súčasnosti existuje množstvo udržateľných riešení, ktoré pomáhajú zmierniť negatívny vplyv chladenia a tvorby pary na prírodu. Ďalším riešením je budovanie uzatvorených vodných okruhov v priemysle, aby sa minimalizovala spotreba vody a zabraňovalo jej znečisteniu. V domácnostiach a kanceláriách sa presadzuje inteligentné riadenie klimatizácie a chladenia, ktoré optimalizuje spotrebu energie podľa aktuálnych podmienok. Mestá čoraz viac investujú do zelených striech a vodných prvkov, ktoré prirodzene ochladzujú prostredie a znižujú efekt tepelných ostrovov. V oblasti tvorby pary sa preferuje energeticky efektívne využívanie, napríklad rekuperácia tepla alebo využitie odpadového tepla na vykurovanie budov.
Kondenzácia v prírode: Rosa, hmla a námraza
Kondenzácia je proces, pri ktorom sa vodná para mení na kvapalné skupenstvo. V prírode sa kondenzácia prejavuje rôznymi spôsobmi, ako je rosa, hmla a námraza.
Prečítajte si tiež: Druhy operácií koní a ich riziká
Rosa
Rosa vzniká, keď sa povrch zeme ochladí pod rosný bod. Rosný bod je teplota, pri ktorej vzduch dosahuje stav nasýtenia vodnou parou a tá sa začne zrážať. Rosa má v prírode svoj veľký význam. Výdatnejšia rosa má vlhkosť zodpovedajúcu slabému dažďu s úhrnom približne 0,5 milimetra. Najmä počas suchých a horúcich dní je dôležitým zdrojom vody pre rastliny a hmyz a potenciálne jedným z dôležitých bezpečnostných systémov proti vzniku alebo zhoršeniu sucha. To je jeden z dôvodov, prečo sa v období sucha odporúča ponechať dlhšiu trávu, pretože dlhší a hustejší trávnik dokáže zachytiť podstatne viac vlhkosti z padajúcej rosy.
Hmla
Hmla vzniká, keď teplota vzduchu klesne pod rosný bod v trochu hrubšej vrstve vzduchu nad zemským povrchom. Ak sa celý stĺpec vonkajšieho vzduchu ochladí pod teplotu rosného bodu, vzniká hmla. Vodná para vo vzduchu kondenzuje a mení sa na drobné kvapôčky vody, ktoré tvoria hmlu.
Námraza
Ak je rosný bod pod bodom mrazu a táto teplota sa dosiahne, vodná para prejde priamo do tuhého stavu (sublimuje) a vytvorí sa tzv. srieň, ktorý sa niekedy nazýva aj osuheľ. Môže sa tiež stať, že rosný bod, ktorý je tesne nad bodom mrazu, sa v noci dosiahne a vznikne rosa. Do rána sa však pôda ochladí pod nulu a rosa potom zmrzne.
Kryogénne teploty a izolácie
Na Zemi sa v prírodných podmienkach kryogénne teploty nevyskytujú, no v priemysle je množstvo oblastí, kde sa médiá s extrémne nízkymi teplotami používajú, napr. pri výrobe, preprave a skladovaní skvapalnených plynov. Izolácie chladových rozvodov a zariadení nie sú ničím výnimočným. Ide však o izolácie bežnej vzduchotechniky a klimatizácií, občas o prevádzky v priemysle, s teplotami do -40°C. Teplota prostredia, v ktorom sa kryogénne zariadenia vyskytujú, je podobná ako u bežného chladenia - buď teplota interiéru alebo exteriéru. Teplota média je však o 150 až 200 stupňov nižšia ako u bežného chladenia. Teda rozdiel teplôt (teplotný gradient), ktorému je tepelná izolácie vystavená, je bežne 200 až 250 K.
Riziká a špecifiká kryogénnych izolácií
Teplotné straty, v prípade chladných médií teplotné zisky, sú priamo úmerné rozdielu teplôt, a to je už prvá odlišnosť kryogénnych izolácií. Súčasne s vyšším teplotným tokom spôsobeným vyšším teplotným gradientom sa zvyšuje zaťaženie tepelnej izolácie difúziou. Parciálne tlaky plynov spolu s teplotou klesajú (sú na chladnej strane vždy nižšie ako na teplej), plyny (najmä vodná para vo vzduchu) sú nasávané z vonkajšieho prostredia k chladnému povrchu. Na neizolovanom alebo zle izolovanom chladnom povrchu sa bežne kondenzuje vodná para. Pokiaľ je tento povrch chladnejší ako 0°C, vlhkosť začne namŕzať. Čo v prípade teploty povrchu potrubia či zariadenia mínus 200°C? Výskyt kvapalného kyslíka (LOX) na povrchu zariadení je veľmi riskantný. Vzhľadom k vysokej reaktivite čistého kyslíku je nevyhnutné, aby sa nedostal do priameho kontaktu s organickými látkami. Preto sa žiadne súčasti aparatúry na uchovávanie a manipuláciu s kvapalným alebo stlačeným kyslíkom nemôžu mazať organickými tukmi alebo olejmi, ale ani izolačný systém nesmie organické látky obsahovať.
Prečítajte si tiež: Efektívna liečba črevnej koliky u dospelých
Tepelná dilatácia a materiály pre kryogénne izolácie
Ďalším špecifickým problémom potrubí na kryogénne médiá je ich teplotná dilatácia. Dĺžkové rozdiely kladú vysoké nároky nielen na samotné potrubie ale tiež na izolačný systém. Napr. teplotná rozťažnosť plastov je mnohonásobne vyššia ako teplotná rozťažnosť ocele. Znamená to, že pri veľkom ochladení sa síce potrubie výrazne skráti, ale izolácia na báze plastu má skrátenie ešte väčšie. To vedie k vzniku trhlín a následnému poškodeniu parotesnosti izolačného systému proti kondenzácii.
Penové sklo FOAMGLAS® je tepelno-izolačný materiál, ktorý má popri veľmi dobrých izolačných schopností aj ďalšie množstvo unikátnych vlastností. Pre kryogénne izolácie je najpodstatnejší fakt, že teplotná použiteľnosť penového skla FOAMGLAS® je prakticky od absolútnej nuly (-273°C) až do +430°C. Súčasne je tento materiál plne kompatibilný s kvapalným kyslíkom.
Izolačné systémy pre kryogénne teploty
Aby bolo možné izolovať kryogénne potrubia alebo zariadenia a aby sa eliminovali všetky vyššie spomínané riziká, samotná tepelná izolácia FOAMGLAS® nepostačuje. Všeobecne pre všetky zariadenia s prevádzkovou teplotou pod -50°C bol vyvinutý spoľahlivý izolačný systém. V prvom rade je celková hrúbka izolácie relatívne vysoká a často presahuje maximálne vyrábanú hrúbku 120 mm. Ďalším efektom rozdelenia izolácie na viac vrstiev je zvýšenie teploty vonkajšej vrstvy izolácie nad -50°C tak, aby mohli byť špáry medzi tvarovkami utesnené pružným materiálom. Aj keď sú špeciálne vyvinuté tmely pre tieto aplikácie (PITTSEAL® 444) veľmi flexibilné, pri ochladení pod -50°C pružnosť strácajú a prakticky stuhnú. Na rozdiel od izolácie na báze plastov ma totiž penové sklo nízky súčiniteľ teplotnej rozťažnosti, preto sa chladné potrubie zmršťuje viac než izolácia. To má pozitívny vplyv na mierne dotlačenie a ešte lepšie utesnenie styčných špár medzi tvarovkami FOAMGLAS®. Nakoľko sa na tesnenie používa pružný tmel, je nutné tvarovky FOAMGLAS® mechanicky fixovať (nerezové pásky široké min. 12,7 mm, každých 300 mm). Povrchová úprava izolačného systému je zvyčajne realizovaná oplechovaním.
Systémy na izoláciu kryogénnych teplôt pomocou izolácie FOAMGLAS® boli použité v Českej republike na rozvodoch kvapalného dusíka, kyslíka, argónu alebo rajského plynu. Takýto izolačný systém je výrazne lacnejší, než vákuové potrubia. Skvapalnené plyny sa používajú v priemysle, v zdravotníctve aj v rehabilitácii.
Vplyv človeka na tvorbu pary a chladenia
Ľudská činnosť má významný vplyv na tvorbu pary a chladenia v prírode. Zvyšovanie koncentrácie skleníkových plynov v atmosfére, najmä oxidu uhličitého a metánu, vedie k zvýšeniu teploty Zeme a k zmenám v hydrologickom cykle. To má za následok extrémnejšie prejavy počasia, ako sú suchá, povodne a búrky.
Priemyselné chladenie a klimatizácia tiež prispievajú k zvyšovaniu teploty v mestách a k spotrebe energie. Je preto dôležité hľadať udržateľné riešenia, ktoré minimalizujú negatívny vplyv ľudskej činnosti na prírodné procesy.