Millainen on hyvä jäähdytin (fysiikan mukaan)?

Talon sisäiset kaikkitietäjämme vastaavat kysymyksiin, jotka koskevat vuorovaikutustasi teknologian kanssa.

K: Mikä on fysiikan näkökulmasta paras jäähdytin?

A: Ensin muistutus lukion fysiikasta: Lämpö on atomitasolla molekyylien liikettä. Mitä nopeammin ne liikkuvat, sitä kuumempi kiinteä aine/neste/kaasu on. Kuumassa kaasussa tämä tarkoittaa sitä, että molekyylit sinkoilevat ympäriinsä ja kimpoilevat seinistä. Kuumassa kiinteässä aineessa molekyylit värähtelevät siellä, missä ne istuvat, ja välittävät värähtelynsä hitaammin värähteleviin naapureihinsa jousipitoisten molekyylisidosten kautta, jotka pitävät kiinteän aineen kasassa.

Kylmä on lämmön puuttumista, aivan kuten pimeys on valon puuttumista. Jäähdyttimen tavoitteena ei siis ole niinkään pitää ”kylmyys” sisällä, vaan pitää lämpö ulkona. Se, miten hyvin jäähdytin pystyy tähän, riippuu kolmesta keskeisestä tekijästä: eristyksestä, ilmasta ja jäästä.

Mikä on siis paras jäähdytin? Ajattele asiaa termodynamiikan näkökulmasta:

Osa, jossa on paksu, umpisoluinen vaahtomuovieristys

Yleensä kaikissa kaupallisissa jäähdyttimissä käytetään samaa eristysmenetelmää: vaahtomuovia sisä- ja ulkoseinien välissä. Vaahto on hyvä eriste kahdesta syystä. Ensinnäkin se on täynnä kaasukuplia; kaasut johtavat lämpöä huonommin kuin nesteet tai kiinteät aineet, ja kaasun sulkeminen pieniin kupliin estää kaasua siirtämästä lämpöä tehokkaasti konvektion kautta. Toiseksi kuplien seinämät muodostavat polymeerimolekyylit ovat melko löyhästi sidoksissa toisiinsa, mikä rajoittaa lämmön siirtymisnopeutta molekyyleistä toisiin. (Hyvin lämpöä johtavien materiaalien, kuten metallin, molekyylit sisältävät vapaasti liikkuvia elektroneja, jotka siirtävät lämpöä helpommin kuin vähemmän liikkuvat kollegansa.)

Mutta kaikki vaahdot eivät ole samanlaisia! On umpisoluista vaahtoa ja avosoluista vaahtoa. Suljettu soluvaahto on tiheää ja jäykkää, eikä suurin osa kaasukuplista kosketa toisiaan. Avosoluinen vaahto on joustavampaa ja kevyempää, mutta koska suurin osa kaasukuplista koskettaa toisiaan, lämmön on helpompi kulkeutua sen läpi ja se on siksi vähemmän eristävä. Kahteen vaahtomuovityyppiin mahtuu myös erityyppisiä kaasuja: Avosoluiset kuplat on usein täytetty vesihöyryllä, kun taas suljetut vaahtomuovit on täytetty erilaisilla muilla kemikaaleilla, joilla on paremmat eristysominaisuudet, kuten pentaanilla. (Vuosikymmeniä useimmat eristävät umpisoluiset vaahtomuovit oli täytetty CFC-yhdisteillä; ne poistettiin käytöstä sen jälkeen, kun niiden vaikutus otsonikerrokseen havaittiin. Useimmat nykyiset vaahtokaasut eivät ole aivan yhtä hyviä suojaamaan kylmää lihaa, mutta ne ovat huomattavasti parempia suojelemaan ilmakehää!)

Avainsoluinen vaahto on vaahtotyyppi, jota käytetään pehmeäpintaisissa lounaslaatikoissa ja vastaavissa, kun taas kovapintaisten kylmälaukkujen seinämissä on yleensä suljettu soluvaahto. Eristystehon eron vuoksi kovapintainen kylmälaukku on lähes aina parempi kuin pehmeäpintainen, kunhan siirrettävyys ei ole rajoittava tekijä.

Viimeiseksi ja intuitiivisimmin kylmälaukun tehokkuus riippuu sen eristämiseen käytetyn vaahdon paksuudesta. Joissakin halvemmissa kylmälaukuissa ei ole eristystä kannessa, tai sitten niissä on ohuempi eristys kylmälaukun pohjassa; molemmat näistä tekijöistä vähentävät kylmälaukkusi tehokkuutta. Jos jäähdyttimesi kannessa on kuppipidikkeet, harkitse lisäksi eristysmateriaalista, kuten styroksista, valmistetun tulpan laittamista niiden pohjaan. (Tai jos et käytä niitä, harkitse niiden täyttämistä ruiskuvaahdolla tai muistivaahdolla!)

Osa, joka pysyy täynnä ja avaamattomana

Kiinteisiin aineisiin ja nesteisiin verrattuna ilma on huono lämmönjohdin. Mutta älä aliarvioi sitä! Aina kun kylmälaukkusi sisältö joutuu kosketuksiin lämpimämmän ulkoilman kanssa, nuo nopeammin liikkuvat molekyylit pääsevät sisään ja tökkivät kylmiä molekyylejä kylkiluihin, jolloin ne liikkuvat nopeammin – ja olut lämpenee hieman. Tästä syystä on parasta, että kylmälaukkuasi ei avata usein. Harkitse erillisten kylmälaukkujen hankkimista ruoalle ja juomille.

Hyvä kylmälaukku on lisäksi ilmatiivis. Tarkista kylmälaukun kannen ympärillä oleva tiiviste ja varmista, että se päästää sisään mahdollisimman vähän ilmaa. Jotkin kylmälaukut, kuten YETI ja Orca, on valettu yhdestä muovikappaleesta ilman saumoja prosessissa, jota kutsutaan rotaatiovaluksi. Se on uskomattoman tehokas keino pitää ilma poissa, mutta se voi myös olla uskomattoman kallis.

Jos on mahdollista täyttää kylmälaukku niin, että siinä ei ole ilmataskuja, tee niin – mieluiten jäällä. Sillä vaikka jääkaapissa oleva jään ja sulan veden seos on aina 32 celsiusastetta, jääkaapissa oleva ilma on sitä lämpimämpää. Täyttämällä nuo ilmataskut jäällä pääset eroon tästä ongelmasta.

Osa, jossa on sopiva määrä (ja muoto) jäätä

Yleisesti hyväksytty jään ja sisällön suhde on noin 2:1. (Ihanteelliseen suhteeseen vaikuttaa niin monta tekijää, mm. sisällön ominaislämpö, että sitä ei kannata laskea ennen jokaista retkeilyä). Jään sulamisnopeus on suoraan yhteydessä sen pinta-alaan: Jäälohkare sulaa paljon hitaammin kuin vastaava määrä jäätä pieninä kuutioina. Harkitse lohkojään ostamista tai pakasta vettä muoviseen gallonakannuun tehdäksesi oman ”lohkosi”. (Tämän jutun julkaisemisen jälkeen fysiikan opettaja Fred Bucheit kirjoitti muistuttaakseen meitä siitä, että jään sulaminen on itse asiassa toivottavaa, sillä näin jää imee lämpöä, joka muuten lämmittäisi olutta. Jos haluat, että sisältösi on mahdollisimman kylmää, nopeasti sulavat kuutiot ovat ystäväsi; jos sinulla on pitkä reissu, jolla sisältösi ei tarvitse jäädyttää, lohkojää kestää paljon kauemmin.)

Kun jää sulaa, vedenpinta kylmälaukussa nousee. Älä tyhjennä sitä! Se eristää edelleen kylmälaukkusi sisältöä. (Vesi saattaa johtaa lämpöä paremmin kuin ilma, mutta niin kauan kuin vesi on kylmempää kuin ilma, se on parempi valinta oluen säilyttämiseen.)

Nopeasti liikkuvat molekyylit ovat kylmien esineiden vihollisia, ja näiden molekyylien pitäminen loitolla on kaikkien jäähdyttimien urhea tavoite – parhaat jäähdyttimet hyödyntävät fysiikan lakeja täysimääräisesti tehonsa maksimoimiseksi.

Meredith Fore pitää kovasta siideristään jääkylmänä ja kirjoittaa WIREDille fysiikasta AAAS:n massamedian stipendiaattina.

Päivitetty 7.11.19, 21.00 EDT, selventämään, miten jään sulattaminen voi itse asiassa auttaa pitämään juomasi kylmänä.

Mitä voimme kertoa sinulle? Ei, oikeasti, mitä haluatte meidän sisäisen asiantuntijamme kertovan teille? Kirjoita kysymyksesi kommentteihin tai lähetä sähköpostia kaikkitietäville.