Наука о тепле и холоде
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Тепловая энергия — самая распространенная в природе. Люди широко пользуются ею с незапамятных времен, во всяком случае, с тех пор, как они научились добывать огонь. И хотя свойства веществ при умеренных температурах изучены довольно хорошо, быстрое развитие науки и техники ставит перед учением о тепле новые и подчас совершенно необычные задачи. Тепловую энергию используют на электростанциях с органическим и атомным топливом, в металлургии, химии, ракетной технике. Причем интенсивность новых процессов чрезвычайно высока и превосходит все, что техника знала еще совсем недавно — всего несколько лет назад. Если раньше мы имели дело с умеренными тепловыми потоками, — которые можно сравнить с плавными равнинными реками, то теперь это настоящие горные водопады. Для примера можно сказать, что каждый квадратный метр камеры сгорания современной ракеты «атакуют» несколько десятков миллионов килокалорий тепла в час, тогда как в самых мощных паровых котлах эта величина не превышает и трехсот тысяч.
С каждым годом расширяется и тот участок температурной шкалы, где разыгрываются изучаемые тепловые процессы. Начинаясь почти у абсолютного нуля, где превращаются в жидкость водород и гелий, а металлы становятся сверхпроводящими, он простирается до миллионов и десятков миллионов градусов — температуры мгновенных вспышек раскаленной плазмы. Между этими крайними пределами расположена узкая область температур, более или менее освоенная техникой. Расширение этой области является актуальнейшей задачей современной технической физики.
Однако не только температура влияет на различные характеристики материалов и скорость протекания тепловых процессов. Например, для поисков путей использования жара планеты, пылающего у нас под ногами на глубине десятков и сотен километров, нужно хорошо знать физические свойства веществ и законы теплообмена при сверхвысоких давлениях. Исследования этих свойств и закономерностей помогут уже в недалеком будущем широко использовать необъятные запасы тепловой энергии земных недр.
Для нужд атомной энергетики надо хорошо знать теплоемкость, теплопроводность и другие теплофизические свойства расплавленных металлов и некоторых органических веществ, выполняющих роль переносчиков тепла от ядерных реакторов к пару или газу, вращающему турбину. Сложность подобных исследований в том, что при высоких температурах жидкие металлы активно взаимодействуют с деталями измерительных приборов, искажая результаты опытов. Работниками института созданы приборы, позволяющие преодолеть эту трудность.
Какова скорость звука в той или иной среде? Исследователь часто ищет ответ на этот вопрос. Дело в том, что быстрота, с которой звук распространяется в какой-либо среде,— одна из основных характеристик вещества, не менее важная, чем, например, химический состав. Зная эту скорость, можно косвенно, расчетным путем найти многие другие характеристики вещества, которые нельзя получить непосредственно.
Скорость звука в газах, твердых и жидких телах научились определять давно, Физики вывели для этого простую формулу. Но как определить такую скорость, например, в насыщенном или влажном паре и каков вообще механизм распространения звука в таких средах, не образуются ли при этом микроскопические капельки, которые, нарушая однородность среды, изменяют закономерности распространения звуковых волн? Вопрос этот очень сложен, и сейчас его пристально изучают теоретики и экспериментаторы.
Не меньшей сложностью отличаются тепловые процессы в тех случаях, когда вещество находится одновременно и в твердом и в жидком (или газообразном) состоянии. Примерами могут служить горение твердого топлива или оплавление и испарение передней части космического корабля при входе в плотные слои атмосферы. Картина осложняется здесь еще химическими реакциями, происходящими между распавшимися на ионы молекулами воздуха.
Очень интересны работы по изучению механизма кипения. Такие работы стали особенно актуальны именно сейчас, когда в технике появились машины и аппараты с нагревом поверхностей в тысячи градусов. Наиболее эффективный способ их охлаждения — обтекание потоком кипящей жидкости. Но этот вид передачи тепла наиболее сложен для теоретического исследования. Дело в том, что образующиеся при кипении пузырьки пара, поднимаясь на поверхность, все время перемешивают жидкость, как бы размывая прилегающий к поверхности нагрева слой и вовлекая в процесс переноса тепла всю массу жидкости и пара.
В подробном изучении такого способа охлаждения совсем недавно еще не было острой нужды. Возьмите, например, паровые котлы. Коэффициент передачи тепла от пламени к металлу гораздо меньше, чем от металла к воде. Поэтому, пока в котле есть вода, его стенки перегреться никак не могут. Другое дело — атомный реактор. Его тепловая производительность зависит только от того, сколько калорий мы успеем отвести, ибо поток тепла, идущий к стенке, можно увеличивать практически беспредельно. Чем больше тепла мы «прогоним» через единицу площади, тем более легкими, компактными и дешевыми будут атомные электростанции.
Автор: Н. И. Новиков.