Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Глава III УНИВЕРСАЛЬНАЯ, КАК ГРАВИТАЦИЯ

Всего за несколько минут в топке современного судового котла выделяется тепло, способное превратить его металлические стенки в расплав. В авиационных двигателях это время исчисляется десятками секунд, в атомных реакторах и ракетах — секундами и долями секунд. И если котлы не тают на глазах изумленных кочегаров, если воздух не сдувает с крыльев самолета капли расплава, в который превратились бы моторы, если космические корабли не превращаются в лужи жидкого металла на космодромах, если реакторы не вытекают струйками расплава из залов атомных электростанций, то этим техника обязана теплопередаче.

С точки зрения этой науки любое вещество, любое тело можно уподобить дырявому ведру. В него непрерывной струей льется вода, вытекающая потом мелкими струйками через отверстия в стенках. Чем мощнее вливающаяся струя, тем выше поднимается уровень, при котором из ведра вытекает воды столько же, сколько втекает. И когда этот уровень достигает определенной высоты, ведро не выдерживает напора и разваливается. Замените в этой картине струи воды потоками тепла, уровень в ведре — температурой, а его разрушение — расплавлением, и вы получите довольно точное представление о центральной проблеме современного энергомашиностроения. С одной стороны, законы термодинамики предписывают инженерам стремиться к максимальным температурам рабочего тела — газа или пара; при этом машины получаются компактными и экономичными. С другой — законы физики требуют, чтобы температуры металлических трубок, цилиндров, поршней не превышали температуру, при которой начинается их катастрофическое разрушение.

В умах большинства людей прочно укоренилась справедливая мысль, что в любой реальной машине — механической, электрической, оптической — есть потери, поэтому ее коэффициент полезного действия всегда меньше 100 %. Но всегда ли мы отдаем себе отчет, что эти недостающие проценты КПД, образно говоря, перерабатываются в теплоту. Всюду, где происходит уменьшение КПД, выделяется теплота, повышается температура. Нагреваются подшипники, зубчатые колеса, валы, тормоза, шины автомобилей, шкивы и ремни, обмотки и сердечники трансформаторов и электрических машин, электропроводка, радиолампы, электронно-вычислительные машины. Пока мощность невелика по сравнению с размерами узлов, охлаждение происходит автоматически, при незначительном повышении температуры. Но когда на затяжных спусках начинают гореть тормоза автомобилей, когда в подшипниках мощных двигателей выделяется тепло, способное за несколько минут расплавить вкладыши, когда эфемерная, витающая в математических дебрях электронно-вычислительная машина начинает потреблять сотни киловатт, тогда волей-неволей приходится вспоминать о принудительном охлаждении. И тогда на механических, электрических, оптических устройствах ничего, казалось бы, общего не имеющих с теплотой, появляются прозаические ребра, патрубки и фланцы систем охлаждения, которые в таких случаях оказываются необходимым условием существования машин и сооружений современной техники. Вот почему в основе самых выдающихся достижений XX века — атомной, космической и электронной промышленности — лежит скрытый от поверхностного взгляда прогресс в области теплопередачи, прогресс в умении охлаждать и нагревать, то есть в умении ускорять и замедлять передачу тепла.

Сейчас трудно представить себе тот хаос, то смешение понятий, которые царили в учении о передаче тепла 150–200 лет назад. Мнения ученых о самых фундаментальных представлениях, о самых убедительных экспериментах находились в вопиющем противоречии. И, в сущности, эта путаница в науке в какой-то мере отражала объективное положение дела: в реальном мире различные механизмы теплопередачи переплетены так замысловато, так хитроумно, что их зачастую невозможно отделить один от другого. И чтобы внести порядок в этот хаос, созданный экспериментаторами, чтобы отделить плевелы от злаков, чтобы сформулировать основные понятия и определения, требовалась та дисциплина мысли, которая культивируется, быть может, одной лишь математикой. Вот почему решающую роль в становлении теплопередачи — науки по существу своему экспериментальной — сыграл математический гений Фурье.

В 1822 году в своей знаменитой «Аналитической теории теплоты» он сформулировал основную цель новой науки: «Уметь определять температуру в любой точке тела в любой момент времени, если известны температуры во всех точках тела в начальный момент». Четко разграничив три основных механизма теплопередачи — теплопроводность, излучение и конвекцию, он главное свое внимание сосредоточил на том из них, который показался ему простейшим, — на теплопроводности.

С этим видом передачи тепла мы весьма неприятным образом сталкиваемся, когда в сильный мороз опрометчиво прикасаемся голой рукой к металлическому поручню. Пальцы мгновенно прилипают к его поверхности, и мы иногда рискуем даже оставить на ней кусочки своей кожи. Причина — высокая теплопроводность металлов: тепло из точки соприкосновения отводится так стремительно, что температура кожи моментально падает до температуры замерзания влаги. Высокая теплопроводность металлов, столь неприятная в поручнях, спасла, однако, жизнь тысячам шахтеров мира. Раньше, когда они работали при свете масляных или керосиновых ламп, открытое пламя нередко вызывало страшные взрывы рудничного газа. Это продолжалось до тех пор, пока английский химик Дэви не догадался окружить пламя со всех сторон тонкой металлической сеткой, которая так быстро отводила тепло от раскаленных соприкасающихся с ней газов, что их температура оказывалась недостаточной для воспламенения взрывчатой смеси. Из всех чистых металлов лучше всего для изготовления такой сетки подошло бы серебро — самое теплопроводное вещество на земле. Ему немного уступают медь и золото. На другом конце ряда мы видим висмут и сурьму — металлы, проводящие тепло раз в 30 хуже, чем серебро.

Теплопроводность неметаллических тел — стекла, дерева, бумаги, кирпича и т. д. в 100—1000 раз хуже, чем у серебра, и обычно она повышается с увеличением плотности, температуры и влажности материала. Жизненно важно для человечества то, что именно в эту группу входят различные виды органического топлива — уголь, дерево, торф. Будь эти вещества теплопроводны, как металлы, человек едва ли научился бы добывать огонь. Ведь тепло, выделяемое при горении, из-за высокой теплопроводности отводилось бы в толщу материала и не нагревало бы близлежащие слои до температуры воспламенения.

Жидкости проводят теплоту настолько хуже металлов, что некогда ученые считали их абсолютными непроводниками теплоты. Были даже в обоснование этого мнения поставлены хитроумные эксперименты. Но потом выяснилось: эксперименты показывали лишь то, что жидкости плохие теплопроводники. Вода проводит теплоту лучше, чем все другие жидкости, но даже у нее теплопроводность раз в 600 хуже, чем у серебра. Однако настоящие антиподы металлов с точки зрения теплопроводности — газы. Лучший теплопроводник среди газов — водород — в 4500 раз уступает серебру. За ним идет гелий. Замыкают ряд хлор, двуокись серы, углекислый газ, проводящие теплоту в 15–20 раз хуже, чем водород.

Теплопроводность — обмен кинетической энергии между молекулами нагретых и холодных тел, приведенных в прямое соприкосновение, — в чистом виде встречается лишь в газах. В жидкостях, в твердых телах то, что мы называем «чистой теплопроводностью», в действительности нередко оказывается переплетением нескольких видов теплопередачи, которые не всегда можно в принципе отделить один от другого. И если до сих пор теплопроводность считается едва ли не простейшим механизмом теплопередачи, то лишь потому, что чародей Фурье ухитрился вычислять суммарный эффект действия различных видов теплопередачи, не разделяя их. Но даже этот чародей не решился взяться за наведение порядка в пестрой сумятице накопившихся к тому времени экспериментов по тепловому излучению — электромагнитным волнам длиной от 0,4 до 40 микрон.

С этим видом теплопередачи мы сталкиваемся, когда греемся на солнышке, сушим одежду у костра, зажигаем электрическую лампу. Но за доступностью и незатейливостью этих действий кроются факты и наблюдения далеко не самоочевидные.

Вот ошеломляющий опыт знаменитых флорентийских академиков: они поставили металлическое вогнутое зеркало на большом расстоянии от ледяной глыбы и, поместив в его фокус термометр, обнаружили понижение температуры. А чем объясняются эксперименты Пикте, установившего, что опыт флорентийцев не удается при замене металлического зеркала стеклянным? А куб Лесли — металлический ящик, одна сторона которого была отполирована, другая покрыта сажей, третья — писчей бумагой, а четвертая — стеклом? Почему, наполнив его горячей водой, Лесли получил разные показания термометров, равноудаленных от граней куба? Почему, например, покрытая сажей грань нагрела термометр сильнее, чем покрытая писчей бумагой? Последняя — сильнее, чем покрытая стеклом, а стеклянная — сильнее, чем полированная?

И на этот раз экспериментаторы не смогли пробиться сквозь дебри наблюдений, до тех пор пока теоретик Кирхгоф не придумал одну из самых необычных идеализаций — абсолютно черное тело, которое поглощает все падающие на него электромагнитные волны, ничего не отражая и не пропуская сквозь себя. Подобно тому, как печка превращает любой вид топлива — дрова, уголь, мазут, бумагу, мусор — в один и тот же дым, абсолютно черное тело превращает любые падающие на его поверхность лучи — световые, рентгеновские, ультрафиолетовые и т. д. — в тепловые, излучаемые всеми телами, нагретыми выше абсолютного нуля.

При температуре ниже красного каления абсолютно черное тело представляется черным в буквальном смысле слова. Но когда температуры переваливают за несколько тысяч градусов, оно выглядит как ослепительно яркий источник света. И как это ни парадоксально, наше Солнце тоже абсолютно черное тело, ибо едва ли какие-нибудь падающие на его поверхность лучи отражаются или пронизывают его насквозь.

В противоположность абсолютно черному можно представить и абсолютно белое тело; оно отражает все падающие на него лучи. И если абсолютно черное тело, поглощая все, нагревается быстрее и сильнее, чем всякое другое, то тело абсолютно белое даже в фокусе солнечной печи сохранит свою температуру неизменной.

Задача неимоверно упрощается, если ограничиться лишь инфракрасной частью спектра, где длины волн располагаются в интервале 0,8—40 микрон. Все реальные тела в той или иной степени и поглощают, и отражают падающие на них инфракрасные лучи, и в этом смысле справедливо заслуживают название серых. Оценить «серость» реальных тел можно по их степени черноты. Чем ближе эта цифра к единице, тем чернее серое тело. Самые черные из реальных веществ для инфракрасных лучей — черный матовый лак, сажа, окись хрома: степень их черноты может достигать 0,97—0,98. Далее идет вода, асбестовый картон, масляная краска, стекло. К абсолютно белому телу ближе всего примыкает полированная медь, со степенью черноты 0,018; за ней идут другие полированные металлы — алюминий, серебро, золото, олово, цинк. Для инфракрасных невидимых лучей цвет поверхности не играет особой роли: сажа и снег, черный лак и белый почти одинаково черны для них. Здесь главное — состояние поверхности: полированное железо поглощает лишь 15–35 % инфракрасных лучей, а литое, необработанное — 87–95 %.

Для видимых световых лучей цвет становится важным фактором: черная краска поглощает 98 % света, а белая — лишь 20 %. Полированная же медь, столь удачно отражающая инфракрасные лучи, в видимой части спектра оказывается хуже, чем белая краска, она поглощает около 26 % света.

Уже эти данные позволяют объяснить многие ранние эксперименты. Опыт флорентийских академиков, например, доказывал: столбик термометра, помещенного в фокусе металлического зеркала, опускается потому, что стремится прийти в тепловое равновесие с глыбой льда. Этот опыт не удавался Пикте при использовании стеклянного зеркала, ибо для инфракрасных лучей стекло все равно что черная бумага для света. Наконец, эксперименты Лесли показали: степень черноты убывает в таком порядке — сажа, писчая бумага, стекло, полированная поверхность.

Но главная заслуга Кирхгофа в другом. Придумав абсолютно черное тело, он подготовил открытие фундаментального закона теплопередачи. Честь экспериментального открытия этого закона досталась Стефану, а его теоретического обоснования — Больцману — двум венским физикам. Закон оказался прост: с увеличением абсолютной температуры абсолютно черного тела в 2 раза количество излучаемой им энергии возрастает в 16 раз, то есть пропорционально четвертой степени его температуры. Теперь достаточно было установить, в какой степени реальное тело можно уподобить абсолютно черному, и все дальнейшее становилось делом обычной арифметики.

Взявшись за простейшие виды теплопередачи, теоретики добились в их изучении успеха лишь в той мере, в какой сумели отвлечься от конвекции, при которой тепло передается путем перемешивания горячих и холодных слоев жидкости или газа. Конвекция, таким образом, неразрывно связана с механическим движением жидкостных и газовых потоков, изучением которых занимается гидромеханика. Взятые даже сами по себе течения жидкостей и газов — настолько сложны и труднодоступны для изучения, что дополнительное наложение на них еще и тепловых процессов всегда заставляло теоретиков отказываться от исследования конвекции.

Заниматься ей вплотную приходилось инженерам и ученым-прикладникам. У них просто не было другого выхода, ибо именно конвекция — главный механизм теплопередачи в металлургическом производстве, в отопительных системах, в котельном деле. Без конвекции не могли бы охлаждаться радио-и электроприборы, тормоза, компрессоры. Без конвекции немыслимы холодильные устройства, морозильные камеры, химические и нефтеперерабатывающие устройства, энергетические установки.

Впрочем, нельзя сказать, чтобы теоретики совсем ничего не дали учению о конвекции. Напротив, еще Ньютон установил основное уравнение конвективного теплообмена. Он считал, что количество теплоты, переданное этим процессом, пропорционально поверхности нагрева, разности температур и коэффициенту теплоотдачи. Но основное заблуждение Ньютона состояло в том, что этот самый коэффициент он считал постоянным. В действительности же нет на свете величины, более причудливо зависящей от десятков факторов. Здесь и теплопроводность рабочего тела, и его вязкость, и плотность, и скорость, и теплоемкость. Иногда на величину коэффициента теплоотдачи влияет разность температур между стенкой и рабочим телом. У трубки, расположенной вдоль потока, теплообмен идет не так, как у трубки, расположенной поперек, и т. д.

Но сколь ни многочисленны эти факторы, все они влияют на конвективный теплообмен лишь постольку, поскольку влияют на пограничный слой. Эта невидимая рубашка, окутывающая любое тело, погруженное в жидкость или газ, надежная защита против теплопередачи. И чем вязче жидкость, чем меньше ее плотность, тем труднее сдуть с поверхности тела эту рубашку. Один из механизмов сдувания пограничного слоя возникает автоматически и знаком каждому по работе печного отопления. Порции воздуха близ стенки печки, нагреваясь за счет теплопроводности, становятся легче и поднимаются вверх, на их место подтекают новые порции холодного воздуха — так возникает свободная конвекция. Скорости воздуха здесь очень малы, толщина пограничного слоя — около сантиметра. Поэтому за 1 час 1 м² поверхности при разности температур в 1 °C передает около 5–8 ккал.

Свободная конвекция сильно зависит от плотности рабочего тела. На высоте 20 км, где плотность воздуха меньше, чем на поверхности земли, в 18,5 раза, коэффициент теплоотдачи оказывается вчетверо меньшим. При еще более сильном разряжении архимедова сила, благодаря которой нагретый воздух всплывает вверх, может стать недостаточной для преодоления гидравлического сопротивления, и тогда механизм свободной конвекции перестает действовать.

Зато в плотной среде этот механизм действует весьма энергично. Свободная конвекция в воде — например, при нагревании воды в чайнике — дает коэффициенты теплоотдачи от 200 до 1000 ккал/ч м² °С. А когда вода начинает кипеть, когда паровые пузыри дробят, сдувают, срывают пограничный слой, когда, всплывая, они перемешивают горячие и холодные порции жидкости, коэффициент теплоотдачи может достигать 40–45 тыс. ккал/чм²°С. Обратный процесс — конденсация пара идет еще интенсивнее. Здесь коэффициент теплоотдачи достигает 100–120 тыс. ккал/ч•м²•°С. Но и в том и в другом случае необходимо соблюдать одно условие: жидкость при кипении должна соприкасаться непосредственно с нагревающей поверхностью, а пар при конденсации должен соприкасаться непосредственно с поверхностью охлаждающей. Стоит поверхности покрыться при кипении непрерывной паровой, а при конденсации непрерывной жидкостной пленкой — и теплоотдача резко падает.

Толщину пограничного слоя можно уменьшить принудительным образом, обдувая горячую стенку воздухом с помощью вентилятора. Достаточно, скажем, повысить скорость до 5 м/с, и коэффициент теплоотдачи с 8 ккал/чм²°С при свободной конвекции поднимается до 30 ккал/ч•м²•°С. При такой принудительной конвекции все, что способствует турбулизации — завихрениям в потоке, увеличивает коэффициент теплоотдачи. В этом смысле шероховатые стенки лучше, чем идеально гладкие, поперечное обтекание труб лучше, чем продольное, тонкие трубки лучше, чем толстые.

До сих пор мы рассматривали механизмы передачи тепла в отрыве один от другого. Но на практике такие случаи чрезвычайно редки. Гораздо чаще на практике приходится сталкиваться с совокупным действием всех трех механизмов теплопередачи. Действием, которое делает процессы в окружающем нас мире необыкновенно сложными, необыкновенно трудными для научного анализа, но зато и необыкновенно разнообразными, богатыми и интересными для наблюдения и размышления возможностями…

Занимаясь исследованием теплопередачи, инженер-теплотехник, в сущности, ставит перед собой не бог весть какую сложную цель — уметь, когда нужно, полностью останавливать тепловой поток, а когда нужно, делать его сколь угодно большим. Конечно, как человек практики он понимает, что в жизни не бывает ни «нулей», ни «бесконечностей». И поэтому вполне готов удовлетвориться скромным решением: умением сильно замедлять и сильно убыстрять теплопередачу. И можно только дивиться тому множеству головоломнейших трудностей, которые ожидают его на пути к достижению этой простой на первый взгляд цели.

Возьмем, к примеру, замедление теплопередачи. Казалось бы, чего проще? Нужно лишь со всех сторон окружить систему стенками из материала, который очень плохо проводит тепло. Но если внимательно посмотреть, то окажется, что выбор не так уж богат. Лучшая адиабатическая — теплоизолирующая оболочка — сухое дерево проводит в 90 тыс. раз меньше тепла, чем серебро — лучшая диатермическая — теплопроводящая оболочка. Для сравнения укажем, что лучший электроизолятор — парафин проводит электрический ток в 310²⁴ раз хуже, чем лучший электропроводник — серебро.

Правда, теплопроводность газов — хлора, двуокиси серы, двуокиси углерода меньше, чем у ваты. Но инженера ждало бы страшное разочарование, если бы он последовал теоретическим рекомендациям и соорудил теплоизоляцию из двух стенок, между которыми находился бы один из этих газов. В действительности тепловой поток раз в 10–20 превзошел бы ожидаемый, ибо в толстом слое газа неотвратимо начинается конвекция, перечеркивающая его низкую теплопроводность. Чтобы замедлить конвекцию, нужно воспрепятствовать перемешиванию газа, разбив его толщу на мелкие ячейки. В сущности, всякий легкий пористый материал и есть как бы «кусок воздуха», слои которого зафиксированы в пространстве и не могут перемешиваться. Правда, теплопроводность пористых материалов больше, чем у газообразного воздуха, но гораздо меньше, чем теплопроводность тех же самых, но уплотненных веществ. Превратив сосновые доски в опилки, мы уменьшаем их теплопроводность в 3,5 раза. Свежий сухой снег проводит тепло в 20 раз хуже, чем лед. Теперь нетрудно понять, почему пустотелые, наполненные воздухом шерстинки северного оленя хорошо защищают его от стужи, почему не замерзают под слоем снега семена и корни растений, почему считаются лучшими теплоизоляторами войлок, вата, пробка и т. д.

Другой способ воспрепятствовать конвекции — окружить предмет, если так можно выразиться, слоем вакуума, заключенного в герметической полости между двумя стенками. Такая изоляция, хорошо всем знакомая по обычному термосу, практически полностью исключает конвекцию и теплопроводность, и главным механизмом теплопередачи здесь становится излучение. А с потерями на излучение лучше всего бороться с помощью посеребренных экранов. Вакуумный промежуток с несколькими слоями посеребренной полированной пластиковой пленки проводит тепло в 300 с лишним раз хуже, чем воздух при атмосферном давлении.

Казалось бы, такая замечательная сверхизоляция способна полностью решить все проблемы, связанные с надежной блокировкой теплообмена. Но, увы, хорошие теплоизоляторы далеко не всегда оказываются веществами, способными, не разрушаясь, противостоять действию самой высокой температуры. Пробка, вата, войлок и многие другие теплоизоляторы в таких случаях не годятся, они выдерживают лишь низкие и умеренные температуры. Когда же речь заходит о 500–900 °C, на сцену выступает диатомит, асбест, асбослюда — вещества с весьма посредственными теплоизолирующими свойствами, но зато способные не разрушаться от действия таких температур. Одна-две тысячи градусов заставляют мириться с еще худшими теплоизоляторами, лишь бы они противостояли такому накалу. Наконец, рабочие температуры в 2000–2500 °C сужают выбор всего до нескольких веществ, к которым требование низкой теплопроводности предъявлять просто не приходится. Повысив температуру до 3300 °C, мы убедимся, что всего несколько материалов на Земле способны, не расплавившись, противостоять такому нагреву — графит, вольфрам, карбид циркония.

Лет сто назад такие температуры казались маячащими в самом далеком будущем. Но в тот момент, когда знаменитый французский химик Муассан обнаружил, что в его лабораторной дуговой печи расплавился и потек струйками тигель из магнезита — одного из самых тугоплавких веществ, стало ясно: не за горами время, когда техника научится получать температуры, при которых все известные на Земле материалы смогут выступать только в виде паров. И когда спустя несколько десятилетий это действительно произошло, задача обратилась!

Чтобы стенка, отделяющая раскаленную среду от холодной, не испарилась в мгновение ока, чтобы она могла вообще существовать, она должна очень хорошо проводить тепло. Замедление теплопередачи при высоких температурах оказалось невозможным без умения ускорять ее.

Стенки камеры сгорания жидкостного реактивного двигателя и его сопло должны как можно лучше проводить тепло и передавать его охлаждающему потоку. Малейшая заминка в этом процессе приведет к моментальному испарению стенки: ведь на каждый квадратный сантиметр ее поверхности обрушивается тепловой поток в 300 ккал/с! Действительно, когда стенка сделана из жаростойкой стали, ее тепловое сопротивление составляет примерно половину общего сопротивления, другие 45 % приходятся на долю конвективно-лучистого теплообмена в камере сгорания и 5 % — на сопротивление теплоотдачи от стенки к охлаждающему топливу. А поскольку температура выше всего там, где наибольшее тепловое сопротивление, оказывается, что наибольший температурный перепад «садится» именно на стенку. Стоит заменить жаропрочную сталь в 10 раз более теплопроводным алюминием, и доля стенки в тепловом сопротивлении упадет всего до 10 %, а доля конвективно-лучистого теплообмена возрастет до 84 %. В результате максимальный температурный перепад перекочевывает на слои газа в камере сгорания, где он совершенно не угрожает целостности конструкции, а температура стенки резко понижается.

В представлении большинства людей наибольшие температуры надо искать там, где сжигается топливо или горит электрическая дуга. Но, как это ни парадоксально, самые высокие температуры, от которых инженерам приходится защищать конструкционные материалы, возникают при торможении. Искры, сыплющиеся из-под тормозных колодок электропоездов, дают некоторое представление о процессе, который по мере повышения скорости становится одним из самых мощных генераторов высоких температур. Образно говоря, трудности, возникающие при торможении, есть зеркальное отображение трудностей, преодолеваемых при разгоне. Ведь чем мощнее двигатель, чем большую скорость он сообщает аппарату, тем сильнее сопротивление, тем больше вследствие необратимости выделяется тепла на его поверхности, тем выше температура обшивки. Так, обшивка аппарата, летящего на высоте 37 км со скоростью 8 тыс. км/ч, разогревается до 2500 °C. При скорости 18 тыс. км/ч температура обшивки должна превышать температуру поверхности Солнца! А поскольку аппараты, возвращающиеся из космоса, движутся с еще большими скоростями, их защита от нагревания смещает проблемы теплопередачи в плоскость совершенно фантастическую.

Воздушная подушка, которая возникает перед мчащимся с космической скоростью телом, мгновенно превращается в ослепительно сияющий сгусток плазмы, обрушивающий на породившую его стенку неимоверные тепловые потоки. Правда, сравнительная кратковременность вхождения в атмосферу позволяет применить не совсем обычные методы тепловой защиты.

Как на несколько минут, пока не намокли листья, можно укрыться от дождя под деревом, так можно и стенку защитить от нагрева слоем материала, быстро отводящего тепло от поверхности, распределяя его равномерным слоем по всей толще. При более длительных нагрузках стенку можно охлаждать с помощью трубок, по которым прокачивается жидкость или газ. Можно, наконец, нагнетая сквозь поры газ или жидкость, очень эффективно охлаждать саму стенку и, утолщая пограничный слой, уменьшать поток от источника тепла к стенке. Не нужно много фантазии, чтобы сделать следующий шаг и защищать стенку слоем металла, который, плавясь или испаряясь, отнимает тепло от потока и оказывает, таким образом, охлаждающее действие (не совсем привычно звучит слово «охлаждение», когда речь идет о кипении при 2–3 тыс. градусов). Следующий шаг — абляция.

Оказывается, не разлагайся молекулы кислорода и азота воздуха на атомы, не поглощай они энергию при этом разложении, и температура летательного аппарата при скорости 12 тыс. км/ч была бы не 4000°, а 7500 °C. Почему же не покрыть стенку таким веществом, которое химически разлагалось бы при нагреве, отнимая при этом огромное количество тепла у набегающего потока. Именно так и работают абляционные покрытия. Разлагаясь, они создают струи газов, уносящих поглощенное тепло, и внешне процесс похож на горенке. Но необычно это горение, которое порождает охлаждающее пламя. Наконец, можно покрывать стенку веществом, которое под действием высокой температуры вступает с воздухом в реакцию, сопровождающуюся поглощением тепла.

Теперь, зная, как сильно зависит от теплопередачи космическая техника, как мучительно и непросто возвращение от звезд к планете Земля, мы сможем понять, почему произвело сенсацию среди специалистов-теплотехников появление тепловой трубки…

Открытие сверхпроводимости, при которой электрический ток может циркулировать в металлическом кольце сколь угодно долго, не испытывая никакого сопротивления, натолкнуло ученых на мысль, что может существовать и сверхтеплопроводность. Однако первые же даже не очень точные опыты показали, что, когда металл переходит в сверхпроводящее состояние, его теплопроводность становится меньше, чем в нормальном состоянии. И чем ниже опускается температура, тем ближе сверхпроводник к абсолютному теплоизолятору. Причина этого эффекта проста: электроны, ответственные за сверхпроводимость, «умирают» для теплового движения, не могут участвовать в нем. И чем ниже температура сверхпроводника, тем меньше остается в его теле электронов, способных проводить тепло.

Эффект, который ученым не удалось открыть в природе, инженерам удалось создать искусственно, силой своей изобретательности. И что самое удивительное, в основу этого изобретения легли процессы давным-давно всем известные: кипение и конденсация жидкостей, характеризующиеся необычайно высокими коэффициентами теплоотдачи. С одного квадратного метра поверхности нагрева при перепаде температур всего в 1 °C кипящая вода за час может снять около 50 тыс. ккал тепла, а конденсирующийся пар — около 100 тыс. ккал. Нагретое тело можно быстро охлаждать кипящей жидкостью, получившийся при этом пар чисто механически транспортировать к холодному телу, конденсируясь на котором, он так же быстро отдает тепло, снова превращаясь в жидкость. Возвращая жидкость в зону нагрева, ее опять можно испарить, опять перегнать пар к холодному телу, опять сконденсировать… Другими словами, можно заставить рабочее тело непрерывно циркулировать и переносить при этом тепло. Причем, поскольку сопротивление движению пара гораздо меньше, чем сопротивление движению тепла в теплопроводящем стержне, потоки тепла могут быть увеличены в сотни, а то и тысячи раз.

В одной из первых конструкций через трубку диаметром 2,5 см тепловой поток мощностью 11 кВт передавался на 70 см при перепаде температур, который практически невозможно было измерить. Для сравнения укажем: чтобы выполнить такую задачу с помощью одного из лучших теплопроводников — меди, понадобился бы стержень диаметром 2,75 м, весом 40 т!

Особенно эффектно выглядела одна из первых демонстраций литиевой трубки. Один конец ее экспериментаторы сунули в середину электрической дуги, а другой — в бак с холодной водой. Стержень мгновенно раскалился докрасна и вода в баке закипела. Чтобы оценить всю необычайность этого опыта, достаточно привести такие цифры. Для передачи 15 кВт тепловой мощности по медному стержню с поперечным сечением 1 кв. см на расстояние 1,5 м его горячий конец должен быть раскален до 180 тыс. (!) градусов — в 30 раз горячее поверхности Солнца! А литиевая трубка таких же размеров, нагретая до 1500 °C, передает эту же мощность при разности температур на концах всего в 5 °C.

С помощью тепловых трубок — устройств, температура которых остается практически постоянной по всей длине, — можно очень легко и удобно концентрировать тепловые потоки. Благодаря этому возникает возможность создать источники энергии на радиоактивных изотопах с низкой плотностью тепловыделения: поглощая тепло на большой поверхности, тепловые трубки концентрируют его на малой площади, где оно удобно может быть использовано для привода теплового двигателя либо термоэлектрического элемента. Так же просто с помощью тепловых трубок можно «разжижать» тепловые потоки, что очень важно во всевозможных системах охлаждения…

В самом деле, хуже всего проводят и излучают тепло газы. Они же хуже всего отдают и получают его при конвекции. А поскольку источники энергии чаще всего генерируют ее именно в виде горячих газов и поскольку газы — лучшее рабочее тело для всевозможных тепловых машин, именно газы всегда были настоящим камнем преткновения в инженерной теплопередаче. Например, в котле от газов в топке теплота передается к внешней поверхности трубки излучением и конвекцией, от внешней поверхности трубки к внутренней — теплопроводностью, от внутренних поверхностей трубок к воде — конвекцией при испарении. Каждый из этих участков представляет собой частное тепловое сопротивление. И как скорость эскадры измеряется скоростью самого тихоходного корабля, так и суммарное тепловое сопротивление целиком зависит от самого большого из всех частных сопротивлений. А таким сопротивлением практически всегда оказывается сопротивление при теплоотдаче к газу. Увеличивая с помощью вентиляторов скорость обдувания трубок газовым потоком, скорость теплоотдачи можно увеличить до нескольких сот ккал/чм²°С. И это предел. Дальнейшее увеличение теплового потока возможно только за счет увеличения поверхности, по которой идет теплообмен с газом: в результате на газовой стороне появляются всевозможные замысловатые ребра. Но вот беда — к концам ребер теплота поступает только за счет теплопроводности, а поскольку она сравнительно невелика, температура ребер оказывается гораздо ближе к температуре охлаждающего газа, чем к температуре охлаждаемых деталей. В результате эффективность их резко падает…

Тепловые трубы устраняют эту помеху. Пристыкованные к раскаленным кромкам космического аппарата, входящего в земную атмосферу, они мгновенно распространят выделяющееся на кромках тепло на всю поверхность аппарата и спасут наиболее напряженные участки от расплавления и разрушения. Тепло, выделяющееся на анодах мощных электронных ламп, тепловые трубки «размазывают» по большой поверхности, охлаждаемой за счет свободной конвекции в воздухе. Тепловые трубки позволяют избежать опасных тепловых деформаций при нагреве массивных роторов турбин. Они смогут предохранять от тепловых деформаций и трещин космические аппараты, нагреваемые солнечными лучами.

Редкий научный труд получал столь единодушное признание современников, как опубликованный в 1814 году «Трактат о росе». Его автор — скромный лондонский врач Уоллес — вместо причудливых построений, согласно которым роса падает со звезд или образуется из пара, выделяемого растениями, предложил замечательно ясное объяснение. Представьте себе небольшое тело, нагретое до температуры окружающей среды и лежащее на открытом воздухе, на подставке, которая очень плохо проводит тепло. Если ледяная глыба парит на некоторой высоте над этим телом, то оно, излучая теплоту вверх, обратно ото льда будет получать ее в меньшем количестве. Эту убыль тепла не сможет возместить почва: подставка — плохой теплопроводник. Неподвижный окружающий воздух из-за отсутствия конвекции тоже не сможет восполнить потерю. Тело неизбежно становится холоднее окружающей среды, и если воздух богат парами воды, они сконденсируются на холодной поверхности тела.

Уподобив космическое пространство ледяной глыбе, Уоллес с успехом превратил этот мысленный эксперимент в теорию росы. Он объяснил, почему роса выпадает лишь в ясные тихие дни: облака отражают тепловые лучи обратно на землю, а ветер, благодаря конвекции, быстро уравнивает температуру охлажденного тела с температурой окружающей среды.

Дилетант Уоллес затмил специалистов-метеорологов, потому что, «отказавшись витать в облаках», первым обратил внимание на теплопередачу — процесс, неотвратимо возникающий там, где появляются разности температур. Но он действовал здесь методом «доказательства от противного», ибо в сущности «Трактат о росе» — это трактат о том, как взаимодействие различных механизмов теплопередачи приводит к появлению разности температур.

Теперь, когда мы знаем о трех механизмах подвода и отвода тепла — теплопроводности, излучении и конвекции, мы можем любое тело уподобить сосуду, в который вода наливается через три трубы и через три других выливается. И если, перекрывая в различных сочетаниях эти трубы, мы можем регулировать уровень жидкости в сосуде, то, комбинируя различные виды теплопередачи, мы можем регулировать температуру того или иного тела.

Картина сильно упрощается при переносе тела в космос: вакуум разом отключает все виды теплопередачи, кроме одного — излучения. В межзвездном пространстве, вдали от Солнца и планет, тело начинает излучать свое тепло и его температура падает почти до абсолютного нуля. Черный предмет остывает при этом быстрее, чем серебристый, полированный. Попав в сферу действия солнечного излучения, эти предметы начнут нагреваться, но — неожиданный результат! — максимальная температура у них окажется одинаковой и тем большей, чем ближе предметы к поверхности Солнца. Почему так? Да потому, что максимальная температура устанавливается в тот момент, когда количество тепла, притекающего от Солнца к освещенной стороне, становится равным количеству тепла, излученного в космос затененной стороной.

Серебристое тело плохо поглощает тепло, но зато и плохо излучает его, поэтому в принципе оно нагревается до такой же температуры, что и черное тело, которое хорошо поглощает, но и хорошо излучает. А теперь нетрудно сообразить, какие чудеса можно делать в космосе с помощью кисти и ведерка с краской. Достаточно, например, освещенную сторону черного тела замазать серебристой краской, и его температура начнет понижаться. Если, наоборот, посеребрить теневую сторону, то температура полезет вверх. Ее можно увеличить еще больше, если вокруг посеребренной теневой стороны поставить посеребренный с двух сторон тонкий экран. Девять десятых излученного телом тепла этот экран отражает обратно, а одну десятую излучает. Если поставить за ним еще один экран, потерю тепла можно снизить еще в 10 раз и т. д.

В целом эти несложные зависимости дают неплохое приближение к действительности, если нашу планету рассматривать глазами космического наблюдателя. Действительно, она не более как шарик, витающий вокруг Солнца. Получать и отдавать теплоту такой шарик может только излучением. Считая его поверхность и массу однородной, а в этом случае температура нагрева в солнечных лучах не зависит от излучательной способности, нетрудно вычислить, что его средняя температура должна быть около 18 °C.

Эти допущения, которые для космического наблюдателя не более как средство упрощения расчетов, для нас, живущих на поверхности шарика, — вопрос жизни и смерти. Только оценивая один за другим факторы, влияющие на распределение температуры по поверхности земного шара, начинаешь понимать, на какой, в сущности, тонкой нити висит сама возможность жизни на нашей планете. Ведь для того чтобы во всех точках однородной гладкой сферы, помещенной на место нашей Земли, установилась температура + 18 °C, теплопроводность должна быть бесконечно большой. Только при этом фантастическом условии неравномерность облучения экватора и полюсов, вращение планеты вокруг своей оси и наклон этой оси к плоскости эклиптики не будут влиять на температуру в разных точках поверхности. Но если теплопроводность сравнительно невелика, картина мгновенно меняется. У планеты, «глядящей» на Солнце все время одной стороной, точка, лежащая ближе всех других к светилу, нагревается на несколько сот градусов. Противоположная ей точка на теневой стороне, наоборот, охлаждается на несколько десятков градусов ниже нуля. Температуры в остальных точках имеют промежуточные значения.

Теперь стоит начать вращать такую планету вокруг оси, перпендикулярной к плоскости эклиптики, и резкость температурного распределения смягчается. Вместо сильно нагретой и сильно охлажденной точек на поверхности планеты прочерчивается теплый экватор, на полюсах появляются две наиболее холодные точки. От экватора к полюсам температуры постепенно убывают. Если же наложить еще одно условие и придать оси вращения некоторый наклон к плоскости эклиптики, то при каждом обороте нашей гипотетической планеты вокруг Солнца ее верхняя и нижняя половины будут нагреваться то сильнее, то слабее, знаменуя этим смену времен года.

До сих пор поверхность нашей гипотетической планеты мы считали однородной. В действительности это не так. На земном шаре есть участки, покрытые снегом, песком, пустыней, травой, пашней. Снег отражает около 95 % излучения, песок — 43, пустыня — 30, луг — 20, пашня — 14 %. Находясь на освещенной стороне, пашня нагревается гораздо сильнее, чем снег, внося дополнительное усложнение в картину распределения температуры. Еще больше усложняет дело Мировой океан. Его поверхность отражает всего несколько процентов лучей, когда Солнце светит на него в упор, а вечером, когда светило у горизонта, океан отражает почти все излучение. Температура распределяется неодинаково не только пс поверхности, но и по глубине. Если на суше лучи поглощаются в тонком слое, то у воды и льда дело обстоит иначе. Даже на глубине 4 м можно еще обнаружить 4 % солнечного излучения.

А теперь настало время наложить на это уже достаточно сложное, причудливое распределение температур самый могущественный фактор, смазывающий остроту температурных пиков, — земную атмосферу с ее мощным механизмом теплопередачи — конвекцией. Соприкасаясь с нагретой солнцем пашней или пустыней, воздух нагревается здесь сильнее и устремляется вверх. Давление падает, в это место устремляются потоки воздуха с соседних, более холодных участков, и возникает ветер. Летом, когда суша нагревается сильнее, чем море, ветер устойчиво дует с океанов на материки. Зимой, наоборот, материки «обдувают» моря. Над экватором, разогретым солнцем, непрерывно поднимаются в небо огромные массы теплого воздуха, а на их место мчатся потоки из более холодных областей, создавая устойчивые ветры.

На полюсах массы воздуха охлаждаются, и именно отсюда они разносят холод по всей поверхности земли. Кроме холода, воздушные потоки разносят еще облака, которые непрерывно генерируются солнечными лучами, падающими на поверхность суши и Мирового океана.

Таким образом, атмосфера — это своего рода мельница, которая в жерновах теплопроводности, конвекции и теплового излучения «перемалывает» солнечные лучи, размазывает, размывает, сглаживает острые углы в температурной картине на поверхности нашей планеты. Но даже при действии этого необычайно мощного механизма смягчения температурных пиков разница между самым холодным и самым теплым местом на земном шаре может достигать 140 °C: в Антарктиде температура воздуха зимой падает иногда до минус 83 °C, а в Ливии летом поднимается до плюс 58 °C!