W internecie

www.kopernik.org.pl

A to ciekawe

Więcej doświadczeń

CENTRUM NAUKI

KOPERNIK

Eksper

ymentuj!

CENTRUM NAUKI

KOPERNIK

Eksper

ymentuj!

Eksper

ymentuj!

200°C poniżej zera

Kilka razy w ciągu minuty wciągasz do płuc azot 
– główny składnik powietrza. 

Jeśli jednak ten sam 

azot doprowadzimy do stanu ciekłego, będzie on miał 
temperaturę niemal –200° Celsjusza. Przy takim zimnie 
znika opór elektryczny, a zamrożony kwiat stłucze się 
jak szkło.

Z

 

godnie z obserwacją Gordona 

Moore’a (jednego z założycieli 

firmy Intel) moc obliczeniowa proce-

sorów podwaja się co 12–18 miesięcy. 

Do niedawna głównym zmartwie-

niem inżynierów była miniaturyzacja 

układów scalonych i zaprojektowanie 

samego układu elektronicznego. Dziś 

podstawowym problemem technicz-

nym jest duża ilość ciepła wytwarzana 

na niewielkiej powierzchni rdzenia 

procesora. Dobrym przykładem może 

być procesor Pentium IV 3,2 GHz. Po-

wierzchnia rdzenia wynosi 112 mm

2

, 

a ilość wydzielanego na nim ciepła, 

przy maksymalnym obciążeniu pro-

cesora, wynosi 84 W. Gdyby rdzeń 

miał powierzchnię 1m

2

, to wypromie-

niowywałby moc równą 840 kW (dla 

porównania moc wydzielana przez 

żelazko ustawione na maksymalną 

temperaturę wynosi ok. 100 kW/m

2

). 

Wynika z tego, że współczesne proce-

sory wydzielają od 8 do 10 razy więcej 

ciepła na jednostkę powierzchni niż 

rozgrzane żelazko!

W tej sytuacji odprowadzanie cie-

pła staje się jednym z najważniejszych 

Pracujący pod obciążeniem nowoczesny 
procesor komputerowy wydziela 
ogromną ilość ciepła. Dlatego obecnie 
jednym z największych problemów 
hamujących wzrost wydajności 
procesorów jest ich chłodzenie

problemów stojących przed konstrukto-

rami szybkich procesorów. Próby używa-

nia ciekłego azotu do chłodzenia proce-

sorów są podejmowane już od dawna. 

Wyjątkowo wydajne chłodzenie, jakie 

zapewnia ciekły azot o temperaturze 

–196°C, jest niezbędne np. w trakcie 

ekstremalnego przetaktowywania pro-

cesorów (przyspieszania ich pracy).

Czy ten sposób chłodzenia ma szan-

sę trafić do naszych domowych kom-

puterów? To trochę kłopotliwe, ale 

jeżeli okazałoby się, że dodatkowe 

koszty związane z zastosowaniem ta-

kiego sposobu obniżania temperatury 

zostałyby zrekompensowane przez 

wzrost mocy obliczeniowej, to w za-

sadzie nic nie stoi na przeszkodzie, 

żeby stosować ciekły azot jako me-

dium chłodzące. Pozostaje oczywiście 

problem zaopatrywania się w ciekły 

azot, bo choć nie jest on drogi (koszt 

porównywalny do wody mineralnej), 

to ponieważ stale paruje, należałoby 

go często uzupełniać.

Różne pomysły na wykorzystanie
ciekłego azotu
www.physik.uni-augsburg.de/~ubws/
nitrogen.html

Wszystko o azocie
http://pl.wikipedia.org/wiki/
Ciek%C5%82y_azot

Przepisy na nietypowe sorbety
www.browniepointsblog.
com/2007/05/11/liquid-nitrogen-
-sorbets

Ciekły azot i komputery
www.tomshardware.
com/2003/12/30/5_ghz_project

D

 

o czego jeszcze można użyć cie-

kłego azotu? Okazuje się, że z po-

wodzeniem można go wykorzystać 

w kuchni, np. do zrobienia lodów.

Na początku należy przygotować ma-

sę, którą będziemy zamrażać. Potrzebu-

jemy następujących składników:

4 szklanki śmietanki kremówki 

(można wymieszać pół na pół z mle-

kiem), 1 laska prawdziwej wanilii, 

1 szklanka cukru i oczywiście ciekły 

azot (2–4 litry).

Schłodzoną śmietankę ubić z cukrem 

i wanilią na bitą śmietanę w metalo-

wym naczyniu. Następnie zachowu-

jąc wszelkie środki bezpieczeństwa 

(okulary ochronne, rękawice) wlać do 

masy ciekły azot, jednocześnie ener-

gicznie mieszając masę drewnianą 

łyżką. Możemy oczywiście zrobić w ten 

sposób lody o dowolnym smaku – wy-

starczy dodać szklankę zmiksowanych 

truskawek, jagód, jabłek itp. Jedynym 

ograniczeniem będzie nasza wyobraź-

nia. Co ciekawe, za pomocą ciekłego 

azotu można w prosty sposób przy-

gotować lody (sorbety), które trudno 

zrobić tradycyjną metodą – np. sorbet 

z dżinu z tonikiem.

Fot. Centrum Nauki K

opernik, archiwum, www

.recipes4us.co.uk

Trochę teorii

Eksper

ymentuj!

Trochę teorii

O historii

Współczesne zastosowania

W

 

laboratoriach klinicznych ciekły 

azot wykorzystywany jest do 

zamrażania materiału biologicznego, 

np. nasion i tkanek roślinnych, tkanek 

zwierzęcych, lub do przechowywania 

zapłodnionych komórek jajowych, tzw. 

embrionów. Dzięki jego temperaturze 

–196 °C proces zamrażania jest bardzo 

szybki. Zawarta w każdej żywej tkan-

ce woda, zamieniając się w lód, nie 

„zdąża” utworzyć sieci krystalicznej 

– powstaje lód bezpostaciowy, który 

nie zwiększa objętości w trakcie zama-

rzania. Dzięki temu nie rozsadza on ko-

mórek, a tkanka – po odgrzaniu – jest 

w pełni funkcjonalna. W medycynie 

ciekły azot stosowany jest też w krio-

terapii polegającej na krótkotrwałym, 

ale silnym, oziębianiu zmienionych 

chorobowo tkanek.

Azot w postaci ciekłej, jako me-

dium chłodzące, jest również co-

dziennym narzędziem pracy fizyków. 

W

 

pojemniku używanym w trakcie 

pokazu przechowywany jest 

azot o temperaturze –196°C. Znaj-

duje się on na granicy między sta-

nem ciekłym i gazowym. Paruje całą 

objętością lub – mówiąc potocznie 

– gotuje się. Unoszący się nad zbior-

nikiem biały dym to skroplona para 

wodna. Próby odsłonięcia powierzchni 

ciekłego azotu przez zdmuchiwanie 

mglistej zasłony są z góry skazane na 

niepowodzenie.

W niskich temperaturach przedmioty 

miękkie i plastyczne stają się bardzo 

twarde i kruche. Banan w tempera-

turze –196°C staje się tak twardy, że 

można nim wbijać gwoździe! Ale już 

silnie zmrożone jabłko nie jest dobrym 

młotkiem – kruszy się w momencie ude-

rzenia. Zarówno banan, jak i jabłko stają 

się twarde, ponieważ woda znajdująca 

się w ich miąższu zamarza. Jabłko za-

wiera znacznie więcej wody niż banan 

(jest soczyste, podczas gdy banan przy-

pomina kleik) i po zamarznięciu staje się 

po prostu bryłą kruchego lodu.

Przedmioty, w których składzie 

w ogóle nie ma wody, również tward-

nieją w ekstremalnie niskich temperatu-

rach. Ołowiany dzwon w temperaturze 

pokojowej nie potrafi wydobyć z siebie 

pięknego dźwięku, gdyż jego serce, 

uderzając w płaszcz, odkształca miękki 

metal, zamiast wprawić go w wibracje. 

Ten sam dzwon rozbrzmiewa jednak 

pięknym tonem, jeśli zanurzymy go na 

chwilę w ciekłym azocie. Dlaczego tak 

się dzieje? Przecież w dzwonie z oło-

wiu nie ma wody?!

Cząsteczki (lub atomy), z których 

zbudowana jest dana substancja, 

oddziałują na siebie siłami (natury 

elektrycznej), które stanowią swego 

wiotki, jakby uszło z niego powietrze. 

Ale spokojnie, balon nie jest dziurawy! 

To tylko zamknięte w nim powietrze 

bardzo się ochłodziło i zajmuje mniej-

szą objętość. W temperaturze pokojo-

wej zamknięte w baloniku powietrze 

ogrzewa się i zwiększa swoją objętość. 

Balonik sam się nadmuchuje.

Eksperyment ten wyjaśnia, dlaczego 

zimą trzeba się napracować bardziej 

niż latem, zanim napompuje się koło 

samochodu lub roweru.

Używając ciekłego azotu, możemy 

skroplić inne gazy, np. tlen. Gdy wle-

jemy ciekły azot do metalowej puszki, 

ścianki naczynia stają się mokre; widać 

wyraźnie, że do wysokości, do której 

sięga ciekły azot, są one ciemniejsze niż 

ścianki powyżej jego poziomu. Obser-

wując to zjawisko, można by sądzić, że 

jest to skraplająca się woda. Przecież je-

śli zimną butelkę postawimy w ciepłym 

pomieszczeniu, momentalnie pojawiają 

się na niej kropelki wody. Ale nasze na-

czynie ma temperaturę ok. –200°C, wo-

da powinna więc zamienić się w lód! Tą 

„mokrą” substancją jest... ciekły tlen! 

Tlen z powietrza w kontakcie z zimną 

puszką ulega skropleniu (temperatura 

skraplania –186°C) i spływa po jej ścian-

kach. Aby przekonać się, że rzeczywiście 

Ciekły azot jest przechowywany 
w specjalnych dobrze izolowanych 
zbiornikach zwanych dewarami. Nie 
mogą one być szczelnie zamknięte, bo 
parujący azot wytwarzałby ciśnienie, 
które mogłoby rozerwać dewar

P

 

ierwszego skroplenia azotu do-

konali w 1883 roku w Krakowie 

Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski 

– dwaj profesorowie fizyki i chemii 

Uniwersytetu Jagiellońskiego. W tych 

czasach skraplanie gazów było nie lada 

wyzwaniem. Dwaj Polacy zastosowali 

metodę kaskadową, tzn. wielokrotnie 

wykonywali tę samą procedurę, która 

początkowo obniżała temperaturę 

o kilkadziesiąt stopni Celsjusza, a na 

końcu o kilka stopni. Technika ta by-

ła czasochłonna i droga. Dlatego też 

rodzaju „szkielet” usztywniający. Mo-

że on mieć strukturę bardzo regu-

larną (mówimy wówczas o kryszta-

le) lub nieuporządkowaną (tak jak 

np. w szkle). Wysoka temperatura 

powoduje, że atomy nie są sztywno 

osadzone w szkielecie, lecz przez cały 

czas drgają. Im słabszy szkielet lub im 

mocniej drgają atomy, tym łatwiej cia-

ło odkształcić. W niskiej temperaturze 

atomy drgają o wiele słabiej i konstruk-

cja szkieletu usztywnia się. Ciała stają 

się twardsze i zazwyczaj bardziej kru-

che (kruchość oznacza, że substancja 

woli podzielić się na drobne kawałki 

z niezdeformowanym szkieletem, niż 

stanowić jeden duży przedmiot z od-

kształconym szkieletem).

Również zachowanie gazów w znacz-

nym stopniu zależy od temperatury. Gaz 

zimny zajmuje mniejszą objętość niż gaz 

gorący. Po wyjęciu ze zbiornika z cie-

kłym azotem nadmuchany balonik jest 

mamy do czynienia z tlenem, wystarczy 

pod puszką umieścić płomień świecy. 

Tlen spala się błyskawicznie, a już spa-

dające krople ciekłego azotu nie dają 

takiego efektu.

W niskich temperaturach prawie 

wszystkie przewodniki przechodzą 

w stan nadprzewodzący. Charakte-

ryzuje się on m.in. zerowym oporem 

elektrycznym. Oznacza to, że prąd 

elektryczny może krążyć w pierście-

niu nadprzewodzącym nieskończenie 

długo, i to bez podłączonego źródła 

prądu. Inną cechą, która wyróżnia 

nadprzewodnik, jest wypychanie pola 

magnetycznego ze swojego wnętrza 

(efekt Meissnera). Niektóre nadprze-

wodniki nie wypychają pola całko-

wicie, lecz pozostawiają w swoim 

wnętrzu tzw. wiry pola magnetycz-

nego. Wypychanie pola i chwytanie 

wirów powoduje, że nadprzewodnik 

lewituje nad magnesem. Efekt ten 

można zaobserwować, umieszczając 

w polu magnetycznym schłodzoną do 

–183°C pastylkę spieku ceramicznego 

YBaCuO.

Linie pola magnetycznego zostają 
wypchnięte z nadprzewodnika, gdy ten 
ma temperaturę (T) niższą od krytycznej 
(Tc) (efekt Meissnera)

współcześnie stosuje się chłodzenie 

gazu metodą rozprężania, wykorzy-

stując tzw. efekt Joule’a-Thomsona. 

Zjawisko to możemy obserwować, 

gdy maksymalnie otworzymy zawór 

turystycznej butli gazowej. Sprężony 

gaz, wydostając się z butli, zwiększa 

swoją objętość i ulega gwałtownemu 

ochłodzeniu. Na zaworze butli osadza 

się szron. Stosowana obecnie metoda 

skraplania azotu jest tania i wydajna 

– litr ciekłego azotu kosztuje tyle co 

litr wody mineralnej.

Zygmunt Wróblewski (z lewej) wraz z Karolem Olszewskim 5 kwietnia 1883 roku dokonali 
pierwszego na świecie skroplenia tlenu. Kilka dni później ta sama sztuka udała się im 
z azotem

Na ściankach metalowego naczynia, 
w którym znajduje się ciekły azot, 
pojawiają się krople cieczy – to skrop-
lony tlen

Zbudowana w Yamanashi (Japonia) kolej 
magnetyczna JR-Maglev (od magnetic 
levitation) nie jeździ po szynach, tylko 
unosi się nad nadprzewodzącymi 
magnesami. Brak tarcia sprawia, że 
pociąg rozwija prędkość 600 km/h

Tabletka spieku ceramicznego YBaCuO schłodzona do –183°C staje się nadprze-
wodnikiem i dzięki temu może lewitować w polu magnetycznym

Do obserwacji subtelnych zjawisk 

mikroświata potrzebują oni jednak 

obniżenia temperatury próbek nawet 

poniżej –270°C. Aby uzyskać tak silne 

oziębienie, stosują ciekły hel, którego 

temperatura wynosi –269°C.

Fot. W

ikipedia, Jacek Błoniarz-Łuczak, archiwum 2x, Corbis; rys. Małgorzata Świen

tczak 2x