Наука про тепло і холод
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Теплова енергія – найпоширеніша в природі. Люди широко користуються нею з незапам’ятних часів, у всякому разі, з тих пір, як вони навчилися добувати вогонь. І хоча властивості речовин при помірних температурах вивчені досить добре, швидкий розвиток науки і техніки ставить перед вченням про тепло нові і часом абсолютно незвичайні завдання. Теплову енергію використовують на електростанціях з органічним і атомним паливом, в металургії, хімії, ракетній техніці. Причому інтенсивність нових процесів надзвичайно висока і перевершує все, що техніка знала ще зовсім недавно – всього кілька років тому. Якщо раніше ми мали справу з помірними тепловими потоками, – які можна порівняти з плавними рівнинними річками, то тепер це справжні гірські водоспади. Для прикладу можна сказати, що кожен квадратний метр камери згоряння сучасної ракети «атакує» кілька десятків мільйонів кілокалорій тепла в годину, тоді як в самих потужних парових котлах ця величина не перевищує і трьохсот тисяч.
З кожним роком розширюється і та ділянка температурної шкали, де розігруються досліджувані теплові процеси. Починаючи майже у абсолютного нуля, де перетворюються в рідину водень і гелій, а метали стають надпровідними, вона тягнеться до мільйонів і десятків мільйонів градусів – температури миттєвих спалахів розжареної плазми. Між цими крайніми межами розташована вузька область температур, більш-менш освоєна технікою. Розширення цієї області є актуальним завданням сучасної технічної фізики.
Однак не тільки температура впливає на різні характеристики матеріалів і швидкість протікання теплових процесів. Наприклад, для пошуків шляхів використання спеки планети, палаючої у нас під ногами на глибині десятків і сотень кілометрів, потрібно добре знати фізичні властивості речовин і закони теплообміну при надвисоких тисках. Дослідження цих властивостей і закономірностей допоможуть вже в недалекому майбутньому широко використовувати неосяжні запаси теплової енергії земних надр.
Для потреб атомної енергетики треба добре знати теплоємність, теплопровідність і інші теплофізичні властивості розплавлених металів і деяких органічних речовин, що виконують роль переносників тепла від ядерних реакторів до пару або газу, обертають турбіну. Складність подібних досліджень в тому, що при високих температурах рідкі метали активно взаємодіють з деталями вимірювальних приладів, спотворюючи результати дослідів. Працівниками інституту створені прилади, що дозволяють подолати цю трудність.
Яка швидкість звуку в тому чи іншому середовищі? Дослідник часто шукає відповідь на це питання. Справа в тому, що швидкість, з якою звук поширюється в будь-якому середовищі, – одна з основних характеристик речовини, не менш важлива, ніж, наприклад, хімічний склад. Знаючи цю швидкість, можна побічно, розрахунковим шляхом знайти багато інших характеристик речовини, які не можна отримати безпосередньо.
Швидкість звуку в газах, твердих і рідких тілах навчилися визначати давно, Фізики вивели для цього просту формулу. Але як визначити таку швидкість, наприклад, в насиченій або вологій парі і який взагалі механізм поширення звуку в таких середовищах, чи не утворюються при цьому мікроскопічні крапельки, які, порушуючи однорідність середовища, змінюють закономірності поширення звукових хвиль? Питання це дуже складне, і зараз його пильно вивчають теоретики і експериментатори.
Не меншою складністю відрізняються теплові процеси в тих випадках, коли речовина знаходиться одночасно і в твердому і в рідкому (або газоподібному) стані. Прикладами можуть служити горіння твердого палива або розплавлення і випаровування передньої частини космічного корабля при вході в щільні шари атмосфери. Картина ускладнюється тут ще хімічними реакціями, що відбуваються між молекулами повітря, що розпалися на іони.
Дуже цікаві роботи з вивчення механізму кипіння. Такі роботи стали особливо актуальні саме зараз, коли в техніці з’явилися машини і апарати з нагріванням поверхонь в тисячі градусів. Найбільш ефективний спосіб їхнього охолодження – обтікання потоком киплячої рідини. Але цей вид передачі тепла найбільш складний для теоретичного дослідження. Справа в тому, що бульбашки, які утворюються при кипінні пари, піднімаючись на поверхню, весь час перемішують рідину, як би розмиваючи прилеглий до поверхні нагрівання шар і залучаючи до процесу переносу тепла всю масу рідини і пари.
У докладному вивченні такого способу охолодження зовсім недавно ще не було гострої потреби. Візьміть, наприклад, парові котли. Коефіцієнт передачі тепла від полум’я до металу набагато менше, ніж від металу до води. Тому, поки в котлі є вода, його стінки перегрітися ніяк не можуть. Інша справа – атомний реактор. Його теплова продуктивність залежить тільки від того, скільки калорій ми встигнемо відвести, бо потік тепла, що йде до стінки, можна збільшувати практично безмежно. Чим більше тепла ми «проженемо» через одиницю площі, тим більше легкими, компактними і дешевими будуть атомні електростанції.
Автор: Н. І. Новіков.