«Тепло и сила» – так назывались двигатели, выпускаемые в России в начале прошлого века. Чудо, а не двигатели. Их можно было топить дровами, соломой, углем, торфом – чем угодно. При этом они не были паровыми и были гораздо экономичнее. Ими можно было приводить в движение любую сельхозтехнику (веялки, мельницы, насосы) и даже обогревать помещение. Сейчас таких, к сожалению, не выпускают. Но осталось название, которое как нельзя более подходит к нашей новой главе, в которой речь пойдет о теплоте и ее использовании, в частности, для выработки энергии.

Но прежде всего хотелось задать вам, дорогие читатели, несколько вопросов, чтобы определить, что вам известно о теплоте. По крайней мере, вы сами узнаете, сколько парадоксов таит в себе это понятие. Конечно же, на каждый вопрос будет тут же дан ответ, но вы не спешите в него заглядывать, а сначала попытайтесь ответить сами.

Вопрос первый (из трех составляющих). Говорят, что межпланетная среда, в которой находится наша Земля, имеет температуру около 1 500 000 °C. Может ли такое быть – ведь именно в этой среде летают космические корабли, выходят «погулять» космонавты и, как известно, не сгорают? Как с этим согласуется утверждение о космическом холоде, о том, что в тени там царят стоградусные морозы? И еще: если в межпланетном пространстве действительно такая высокая температура, то как ее измерить? Ведь от 1 000 000 °C не то что расплавится, а мгновенно испарится любой термометр.

Ответ. Действительно, температура солнечной короны, которая простирается на расстояние в несколько десятков радиусов Солнца и в которую попадает наша Земля, 1 000 000 – 2 000 000 °C (тут уж безразлично, по какой шкале – Цельсия или Кельвина, разница в 273 °C здесь несущественна, хотя правильнее измерять термодинамическую температуру в кельвинах). Эта корона состоит из высокоионизированной плазмы – «солнечного ветра», частиц, несущихся (на уровне орбиты Земли) со скоростью 400 км/с – в сотни раз быстрее, чем у молекул при комнатной температуре. При этом число этих частиц всего несколько десятков в 1 см³. Исходя из этих данных легко узнать температуру, которая определяется из молекулярно-кинетической теории, изложенной, например, в учебнике физики для 10 класса. Согласно этой теории температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии частиц. При скоростях в сотни км/с температура достигает миллионов градусов; с учетом множества факторов эта температура и составляет 1 000 000 – 2 000 000 К.

Из-за чрезвычайно малой концентрации частиц нагреть, а тем более расплавить или испарить космические корабли солнечная корона не может; не в состоянии она по той же причине и сколько-нибудь существенно поднять температуру тел в Космосе. Луна, например, имеет на теневой стороне температуру всего 120 К, или около – 150 °C.

Измеряют температуру межпланетной среды, конечно же, не термометрами, которые эта среда практически не нагреет опять же из-за ничтожной концентрации, а косвенными методами, например, по скорости движения частиц, которую можно измерить достаточно точно.

Вопрос второй. Известно, что в саунах температура воздуха достигает 120—140 °C, что гораздо выше температуры кипения воды; при такой температуре можно запросто готовить яичницу или запекать яйца вкрутую. Каким же образом человек не только выдерживает эту температуру, но еще получает удовольствие, нисколько не запекаясь? Какую максимальную температуру может вообще выдержать человек?

Ответ. Температура воздуха в саунах регламентирована в пределах 90 – 140 °C при относительной влажности 5 – 15 %. Это очень низкая влажность, и в ней все дело. Чрезвычайно сухой воздух сауны способствует быстрому испарению воды из тела человека, главным образом через легкие, имеющие огромную поверхность, а также с поверхности тела через потоотделение. Испаряясь, вода поглощает большое количество тепла (так называемую теплоту парообразования) и интенсивно охлаждает тело человека. Известно, что если не пополнять запас жидкости в теле человека за счет чая и других напитков, то за одно посещение сауны можно потерять в весе несколько килограммов из-за испарения воды. Поэтому-то температура тела человека и держится в узких, дозволенных природой и системой терморегуляции человека рамках даже при более высоких температурах. Известен опыт немецких ученых, когда несколько человек пробыли порядка 10 минут при температуре +210 °C в очень сухом воздухе.

Рис. 253. В сауне рядом с лежащим человеком можно готовить обед

Однако достаточно повысить влажность воздуха в сауне, как переносимость температуры резко падает. Если вылить на камни в сауне достаточное количество воды (что иногда делают не очень грамотные посетители), то запросто можно обжечь всех присутствующих. Не следует путать финскую баню-сауну с русской парилкой, где влажность гораздо выше, а температура ниже.

Что же касается варки яиц в сауне, то автор часто это делает, причем на той же полке, где лежит сам (рис. 253). Обычно это изумляет всех присутствующих, а яйца получаются очень вкусными – с крутым желтком и мягким белком, что очень необычно.

Вопрос третий. Опять о бане, на сей раз русской. Чтобы высушить парилку, нередко открывают в ней окошко, устраивают сквозняк, особенно в мороз. Пар так и валит оттуда внутрь помещения. Как же может этот пар осушить и без того влажное помещение парилки?

Ответ. Здесь хитрость в том, что внешний воздух всегда холоднее воздуха в парилке. Поэтому абсолютная влажность его невысока по сравнению с горячим и влажным воздухом парилки, особенно в мороз, когда вымораживается почти вся влага из воздуха.

Впуская наружный воздух в парилку, мы заменяем влажный воздух на сухой, содержащий в себе мало влаги по абсолютной величине. Нагревшись от мощного камина в русской парилке, воздух приобретает крайне низкую относительную влажность и быстро высушивает все вокруг. Испаряются все лужи на полатях, простыни становятся сухими. Парилка снова готова к приему голых гостей.

А пар, который валит из окошка, – это не влага, пришедшая снаружи. Холодный воздух охлаждает воздух парилки вокруг себя и сильно повышает его относительную влажность, доводя его до точки росы. Поэтому невидимый нам пар тут же конденсируется в туман, который мы почему-то называем паром. Если приглядеться внимательно, то видно, что туман образуется вокруг входящего в окошко холодного воздуха, а сам морозный воздух – в центре потока – прозрачен. Значит, туман не вносится снаружи, а выпадает из внутреннего воздуха парилки.

Вообще в бане можно наблюдать различные физические явления, и в этом одним из первых убедился сам Архимед!

Вопрос четвертый. Известно, что теплопроводность газов уменьшается с их разрежением. Полный вакуум вообще не может передать тепло – нет вещества, его передающего. Известен и сосуд Дьюара, или попросту термос, где две колбы, вставленные одна в другую, разделены слоем разреженного газа, то есть просто между ними откачан воздух (рис. 254). Это мероприятие позволяет резко сократить теплопередачу между этими двумя колбами.

Однако давайте проведем опыт, где мы будем откачивать воздух между этими колбами и измерять теплопроводность получаемого слоя разреженного газа. Откачали 90 % воздуха – теплопроводность не изменилась. Откачали 99 % воздуха – то же самое. Повысили разрежение еще в 2 – 3 раза – никакого эффекта.

Рис. 254. Сосуд Дьюара – термос

В чем же дело, неужели не работают законы физики? А как же тогда работает термос?

Ответ. Такой эффект, с первого взгляда кажущийся парадоксальным, на самом деле имеет место. Давление падает в сотни раз, а теплопроводность как бы замирает на одной точке. Объясняется это тем, что молекулы оставшегося при разрежении газа, который собственно и переносит тепло от стенки к стенке, получают возможность увеличить свой пробег между столкновениями друг с другом. Самих молекул становится меньше, но путь пробега их между столкновениями увеличивается. Поэтому и теплопроводность почти не изменяется. «Почти» это потому, что для определения этой разницы нужны очень точные методы измерения, практически же эта теплопроводность даже при падении давления в сотни раз не изменяется. Только тогда, когда останутся тысячные и менее доли первоначального количества газа, теплопроводность начнет падать, причем резко. Вот в термосах между колбами как раз очень низкое давление, поэтому-то и теплопроводность этого весьма разреженного газа очень мала.

Кстати, иногда встречается реклама окон, где между стеклами якобы откачан воздух для понижения теплопередачи. К такой рекламе автор относится с сомнением. Не верится, что между большими поверхностями составных пластмассовых рам можно создать достаточно высокий вакуум, как в термосе.

А главное, сами стекла не выдержат при этом огромного наружного давления, реально достигающего нескольких тонн на каждое стекло. Герметизация стекол может препятствовать проникновению влаги между стеклами, что тоже важно, но чтобы откачать между ними воздух, надо иметь толстенные и сверхпрочные, а также очень малоразмерные стекла, что вряд ли приемлемо. Гораздо реальнее просто заполнить пространство между стеклами в герметичных рамах газом, имеющим плохую теплопроводность, заодно и сильно высушенным (обезвоженным).

Вопрос пятый. Вопрос этот не так прост, как может показаться. Сплавим равные части свинца с температурой плавления 327 °C и олова с температурой плавления 232 °C. Какова будет температура плавления полученного сплава?

Ответ. Напрашивается такой ответ: температура плавления сплава равна средней между температурами плавления компонентов, т. е. 280 °C. Но это не так. Температура плавления сплава, называемого ПОС-50 и широко используемого в пайке, гораздо ниже, причем даже ниже, чем у чистого олова, и находится в интервале 183—209 °C, что с первого взгляда кажется удивительным. Можно привести еще более парадоксальный пример: сплав, состоящий из 50 % висмута с температурой плавления 271 °C, 25 % свинца и по 12,5 % олова и кадмия с температурой плавления последнего 321 °C (так называемый сплав Вуда), имеет температуру плавления всего 68 °C! Этот сплав придуман в 1860 г. английским инженером Вудом (не путать со знаменитым американским физиком Вудом, который родился на 8 лет позже года изобретения сплава!). Известен сплав почти из тех же компонентов, называемый анатомическим, который плавится вообще при 60 °C! Здесь уместно рассказать про шутку зубных техников, широко использующих эти сплавы. Они отливают чайную ложку из таких сплавов и подсовывают ничего не подозревающему гостю при чаепитии. Ложка, почти как серебряная, такая же тяжелая и блестящая. Но, когда гость начинает помешивать ею горячий чай, она плавится в стакане, и в руках у изумленного гостя остается только «огрызок» ручки (рис. 255)!

Рис. 255. Ложка из металла Вуда плавится в стакане с горячим чаем

Свойство сплавов плавиться легче составляющих компонентов обусловливается эвтектикой, и оно хорошо известно металловедам. Эвтектоидами в металловедении называются сплавы с такими количественными соотношениями компонентов, которые обеспечивают минимальную температуру плавления. Отмеченные выше сплавы являются яркими примерами сплавов, очень близких к эвтектоидным для данных компонентов.

Если вы правильно ответили на все вопросы, – вы гений, и вам можно дальше не читать, вы и так все знаете. Если не ответили ни на один вопрос, – не огорчайтесь и попробуйте задать их товарищам и родителям; автор надеется, вы будете удовлетворены их ответами. Если же вы ответили самостоятельно хотя бы на часть вопросов – поступайте в университет на физический факультет, ваши преподаватели будут довольны вами, а вы – ими.