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熱力學:膨脹與冷卻的應用

利用氣體迅速自由膨脹使溫度下降的原理,令低溫致冷器產生攝氏零下40度的冰晶,造成細胞的損壞,致癌細胞於死地,而達成醫療上的目的,稱為冷凍治療。
 
 
 
膨脹與冷卻

天氣熱了,冷氣機與電冰箱的需求大幅增加,這兩種機器都可以把固定空間裡的熱量移除,讓內部溫度降到比周遭低。由熱力學觀點,至少有兩種方法可以用來降低環境溫度,一是靠相變化,另外是利用氣體的膨脹。

前者最佳的實例就是人體汗水的蒸發。當氣溫高而空氣乾燥時,汗水容易蒸發,因蒸發需要吸熱故而降低皮膚溫度,所以人們會感覺清爽。但台灣因氣溫與濕度都高,人體排汗時會因為空氣中的濕度高,而不容易蒸發,那時就會感覺不舒服。在冬天裡,流汗後如果又被風吹到,也會因為皮膚表面汗水蒸發吸熱,降低溫度,而造成所謂 「寒風刺骨」的感覺。

另外一個應用的例子是熱管。例如筆記型電腦中的中央處理器,因為高速工作,所以會發熱變燙,如果這些熱不迅速移走,會造成該區域溫度上升,因而縮短電子元件的壽命。為解決這個問題,許多公司的作法是利用熱管,管內盛裝液體,利用蒸發吸熱的原理把熱移走,然後在熱管的另一端,使用風扇及散熱片把熱量吹到外面。同時,在蒸發過程中,管內液體會保持一定溫度;且當蒸氣的熱量被吹走後,又會冷凝成液體,周而復始完成散熱的作用。所以尋找一種流體,它的汽化溫度在攝氏30~40度間,而具有前述的功能,是化學及材料學家努力的課題。

第二種降溫冷卻的原理則是靠氣體膨脹。一個單純降低溫度的膨脹程序,就是絕熱節流程序。高壓的氣體經過一個小孔洞而降壓,在絕熱條件下,因為膨脹需要能量,於是氣體的內能被消耗,表現出來的結果就是溫度下降。膨脹作功的最佳實例就是使用高壓高溫蒸氣推動的渦輪機。

與氣體絕熱節流程序高度相關的一個熱力學參數,叫做焦耳—湯普森係數(Joule-Thomson coefficient),這個係數表示氣體在絕熱狀態下,溫度隨壓力的變化值。如果此係數為正值,則表示壓力變小時,該氣體的溫度也隨之降低,於是產生冷凍的效果;當然如果此一係數為負值,則有相反的表現,也就是膨脹反而產生加熱的效果。這個膨脹程序是在等焓(enthalpy)條件下進行的,也就是說膨脹過程中流體不會與外界交換任何能量。

對於理想氣體而言,焦耳—湯普森係數為零。但對於大多數非理想氣體,在較高的溫度及壓力下,這係數是負值;當降到一定溫度與壓力後,則會轉為正值;在特定的溫度與壓力,焦耳—湯普森係數正巧為零,就是所謂的反轉點。一般說來壓力要大於九倍的臨界壓力,焦耳—湯普森係數才會轉為負值。

冷卻的用途很多,在日常生活中包括:食品的冷凍保藏,為了舒適的冷卻空調,以及工業上將氣體低溫液化以降低體積而利於儲存。規劃中的大潭天然氣發電廠,使用天然氣為燃料,這些天然氣就是以液態方式由海外運來,然後存放在儲槽內,最後接管燃燒用於發電,由於經過適當的熱力學設計,所以能源利用可以很有效率。

熱力學的工作是計算整個程序中,系統狀態與每個步驟的變化,以及其所伴隨的能量變化。對於每一莫耳的進料氣體,我們需要對其壓縮作功(Ws),還需要一些冷卻水將它的溫度降下來,然後得到某個百分率的液化氣體,而這些液化氣體內蘊藏著可用的能量是△B,所以能量利用的效率,就是△B/Ws。通常這個數值不會很高,也許連10%都不到,主要原因是節流閥的膨脹過程是不可逆的程序,使得一些能量在此步驟被浪費掉,還有就是壓縮機用的冷卻水也會帶走一些能量。不過,實際上工程師們有能力改善設計,以期大幅提升能量利用的效率。

第二種類型的冷卻,是使用一種稱為冷媒的工作流體,把它放入一個密閉的迴路當中,進行一連串的循環步驟。首先需要提供能量以壓縮氣體到較高的壓力,此時溫度伴隨升高,熱量隨之傳遞到周遭,因而造成冷凝變為液體,再經節流閥減壓繼續降溫,待降到比環境溫度更低時,冷藏室溫度即可降下來,也就是把冷藏室的熱量移走,於是冷媒流體又蒸發為氣體,完成一整圈的循環。在這個程序中,輸入的功是W,移除的熱量是Q1,所以可以定義一個效率值Q1/W,即「表現係數(coefficient of performance)」或稱「能源轉換效率」,。因為移除的熱量來自液體蒸發,其數值可以很大,所以這個數值會大於1,一般在2~7之間,當然此值是越高越好。空調與食物保鮮、冷凍是這一類的主要用途,在這一類的設備中, 經常可以看到一片一片的散熱片,以提供較大的表面,幫助熱量的傳遞。

以下我們介紹一種冷凍的新用途。

冷凍治療

這種療法是利用氣體迅速自由膨脹使溫度下降的原理,令低溫致冷器產生攝氏零下40度的冰晶,藉此低溫來殺死癌細胞。

美國影集中,我們常看到警察追捕歹徒時,第一句話一定是:freeze!意思是叫歹徒:不要動!全身凍結,像冰一樣。由於癌細胞容易流竄移轉,造成治療死角,因此我們也希望能將它冰凍來殺死它,這種癌症最新療法稱之為「癌細胞冷凍治療 」。

「癌細胞冷凍療法」源自一八四五至一八五一年間,英國人阿諾(James Arnold) 首先利用冰和氯化鈉將溫度下降到攝氏零下18~24度以治療神經痛及癌腫瘤。而後因為液態氮(沸點是攝氏零下196度)易於取得,在一九○一年懷特(Campbell White)改用液態氮治療口腔癌與皮膚癌;一九三○年第一根冷凍探針問世,用來治療皮膚及婦科癌症;一九六一年庫柏(I. Cooper)發展出以氮為基礎的冷凍系統,並在一九六三年應用於治療癌症病患;一九八五年歐尼克(Gary Onik)發覺運用超音波診斷,更易於顯示身體內部結構,同時便於探針定位及進行監測,可達到更有效的定點治療。九○年代隨著醫療器材的進步,冷凍療法逐漸為醫學界採用。

利用冷凍技術造成細胞的損壞,致細胞於死地,而達成醫療上的目的,稱為冷凍治療。冷凍療法所產生的冰晶不須開刀取出,可由人體的新陳代謝自然排除,同時不會造成大的傷口,手術後甚至當天即可出院,可說是一個相當優良的癌症治療法。

冷凍療法中冷凍致死機制的關鍵因子包括:使細胞脫水、蛋白質變性、快速冷凍的溫度衝擊、冰的結晶造成細胞膜破裂、緩慢解凍使得電解質分配不均、回溫過程的低滲透壓環境、細胞缺氧及血流停滯等。一般而言,在癌細胞致死的溫度下,進行多次循環的冷凍及解凍程序可以達到最大療效,這種治療不會造成立即性的大出血或器官的崩壞,是其最被稱許的特點。若能合併冷凍治療與目前醫界常用的化學治療更可以促進療效,提高癌症病患存活率。但為有效殺死癌細胞,冰晶的溫度最好能達到攝氏零下40度,因為人體內的水分溶有許多物質,所以冷凍探針提供的溫度一定要比攝氏零下40度還低,因而仍有一些工程技術的問題,尚待解決;另外為了要普及化,整套設備的成本也要夠低。

一九七二年荷登(H. B. Holden)及色格(Brit J. Surg)合作開發出早期的冷凍探針,藉著通入氧化氮來產生冷凍效應。氧化氮的沸點是攝氏零下88.4度,熔點是攝氏零下90.8度,入口處是攝氏零下20度,由於焦耳—湯普森效應,在氣體噴出口(尖端)可達攝氏零下80度的低溫,而後因吸熱而在出口處升溫到攝氏零下10度。若無焦耳—湯普森效應,恐無法形成低於攝氏零下40度的溫度,而氣體噴出口大約只能達到攝氏零下15度,這溫度是無法完全殺死癌細胞的。

由於熱傳效應,探針周圍的溫度有一定的分布,又因為體液內水分形成冰晶,而晶球內部溫度的分布會隨著軸向及徑向距離而改變。基本上,在冰晶內部冷凍探針尖端上方一公分處最冷,可達攝氏零下95度,冰晶外部表面溫度則升為攝氏零度。一九九四年何英森(Jean-Paul Homasson)將上述結構再加以改良,呈現今日醫界通用的冷凍探針,是冷凍技術的一種新用途。
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