Jak funguje kapesní ohříváček?

Jistě je znáte – v zimě pomáhají udržovat ruce v teple. Na jakém principu fungují kapesní ohříváčky? Další ze série předvánočních blogů o obyčejných věcech. (délka blogu 3 min.)

Akumulátor latentního tepla – kapesní ohříváček – je předmět, který je schopen pohlcovat tepelnou energii a nějakou dobu ji v sobě (s minimálními ztrátami) i ukládat a následně zase uvolňovat. Trik spočívá v použití materiálů, které při přechodu mezi pevným a kapalným stavem (tedy k tání svých krystalů) potřebují relativně velké množství tepla.  

Teoreticky se dají ke skladování energie (a následné využití latentního tepla, uvolňujícího se při fázových přechodech) používat všechna tři skupenství hmoty – jak pevné, tak kapalné nebo plynné. Použití plynu je ale pro daný účel nepraktické – je totiž spojeno s velkým navýšením objemu.

Zatímco má jeden mol látky (v praxi to bývá několik desítek gramů) v pevném skupenství relativně malý objem, v plynném skupenství má jeden mol látky objem 22,4 litrů. Nikdo z nás nejspíš nemá tak velké kapsy…

Mol

Jeden mol je takové množství látky, které obsahuje stejné množství atomů, jako 12 gramů běžného uhlíku (izotopu C-12), říká definice. V praxi to znamená, že jeden mol dané látky má hmotnost odpovídající hmotnosti jeho molekuly. Každý mol obsahuje 6,022140857x10^23 atomů. Jeden mol látky má v plynném skupenství objem 22,414 litrů.

Trocha chemie

Chemické reakce, které v ohříváčku probíhají, jsou vratné – předmět se dá proto použít opakovaně. Jeho životnost je zpravidla omezena životností obalu, ve kterém je uložena aktivní náplň.

Při nabíjení obsahu kapesního ohříváčku (akumulátoru latentního tepla) tají speciální soli nebo parafiny, které tvoří náplň ohříváčku.  Při tání absorbují velké množství energie.

Typický aktivní obsah bývá tvořen trihydrátem octanu sodného (CH3COONa · 3 H2O).

Při pokojové teplotě se tato sůl rozpouští ve vodě jen pomalu. Při zahřátí ve vroucí vodě, probíhá ale proces daleko ochotněji a rychleji.

Při „nabíjení“ polštářku energií je potřeba rozpustit úplně všechny krystaly. Ty, které by zbyly, by totiž tvořily krystalizační centra, na kterých se okamžitě (už během ochlazování na pokojovou teplotu po vyjmutí z vroucí vody) začnou tvořit nové krystaly – a to není žádoucí.

Po rozpuštění a vychladnutí všech krystalů se uplatní zajímavý jev: octan zůstane rozpuštěný. Nedochází k automatické krystalizaci tak, jak by tomu bylo například u rozpuštěné kuchyňské soli.

K rychlé krystalizaci dochází až tehdy, když roztok dostane speciální vnější podnět. Běžně to bývá „lupnutí“ malé kovové destičky, která u podobných akumulátorů plave uvnitř roztoku. Lupnutí vytvoří první krystalizační centrum. Aktivní látka se pak už postará o zbytek. Vytváří nové a nové krystaly.

CH3COO— (kapalina) + Na+ (kapalina) ———> CH3COONa · 3 H2O (pevná látka) + teplo

Při tání krystalů se v horké vodní lázni pohlcovala energie – při opětovné krystalizaci se tedy tato energie musí zase uvolnit. Ohříváček může dosáhnout až 58 °C.

Jak probíhá krystalizace?

Nejprve se vytváří krystalická mřížka octanu sodného, zatímco molekuly vody jsou zatím volně pohyblivé. Postupně ale nacházejí místa, kam se mohou v mřížce uložit. Dipóly molekul vody se ukládají určitým daným vektorovým způsobem, přitom se snižuje jejich potenciální energie a dochází k předávání tepla. Vodní molekuly tím tvoří vlastně jakousi mřížku uvnitř krystalické mřížky octanu.

Naopak při ohřívání kapesního akumulátoru se nejprve ničí vodní „krystalové uspořádání“ a uvolňuje se voda. V této teplé vodě pak při 58 °C taje i samotný octan.

Část latentního tepla, které je v nabitém polštářku schované, tak tvoří teplo, které se vytváří při tání bezvodého octanu - a druhou, velice významnou část tvoří teplo, uvolněné při zabudovávání molekul vody do krystalické mřížky octanu.

Další možnosti k využití

Moderní akumulátory latentního tepla se mimochodem nepoužívají jen v kapsách k ohřívání rukou. Různé materiály, které mají podobné vlastnosti jako výše popisovaný octan, se používají ve stavebnictví, gastronomii, tepelných solárních panelech nebo jako předehřívače některých motorů.

Podobným způsobem by se daly v zimě ohřívat dokonce domy.

Malý domek s obytnou plochou 89 m2 by vyhřál akumulátor s objemem kolem 200 m3. V létě by se mohl nabíjet a v zimě by své teplo odevzdával. Projekt samozřejmě není moc elegantní – už kvůli objemu potřebného aktivního media. Nedaleko německého Augsburgu se ovšem podobným způsobem experimentálně vytápěla škola. V nedaleké spalovně se akumulátory nabíjely, převážely se do školy, kde své teplo odevzdávaly.

Je docela možné, že se časem dočkáme i dalších zajímavých využití všude tam, kde je produkován odpad s vyšší teplotou.

Je tekutina v ohříváčku zdraví škodlivá?

Pokud se váš kapesní ohříváček poškodí a jeho obsah vyteče, nemusíte z něj mít strach. Aktivní sloučenina je neškodná, navíc je dobře rozpustná ve vodě. Dá se proto pohodlně setřít nebo vyprat.