Читать книгу "Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд"

Простейшее охлаждающее устройство, вентилятор, работает по принципу обдува воздухом нагретых предметов – они отдают свое тепло в результате конвекции или (в случае с живыми существами) испарения (обдувающий человека воздух испаряет выделяющийся на коже пот, одновременно забирая с тела излишнее тепло). Это зеркальное отражение того, как работает конвекционный обогреватель: принцип его действия заключается в направлении теплого воздуха на предметы и их согревание. Но надолго охладить комнату одним вентилятором трудно. Если в закрытом помещении вы включите вентилятор, то вы добьетесь только перемешивания слоев воздуха и их перемещения из одной части комнаты в другую.

Кондиционеры воздуха (обычно используемые в качестве аппаратов для охлаждения, хотя в принципе могут работать и на отопление) действуют иначе. Они «высасывают» теплый воздух из нагретого помещения и перемещают наружу. Они похожи на холодильники, потому что имеют систему трубок, по которым циркулирует охлаждающая жидкость (обычно легкое жидкое вещество, которое закипает при очень низкой температуре). Они также имеют нечто общее с вентиляторами, поскольку втягивают и выбрасывают воздух. Принцип работы кондиционеров таков: охлаждающая жидкость сначала нагревается в помещении (вбирая тепло окружающего воздуха), затем по специальной системе трубок выводится наружу, где отдает тепло и охлаждается, после чего возвращается охлажденной в помещение, и цикл начинается по новой[219]. Вам может показаться, что кондиционеры воздуха или холодильники нарушают второй закон термодинамики, поскольку постоянно перемещают воздух от холодного к горячему, как бы подтрунивая над законами физики. Но это происходит только за счет затрат электроэнергии, поддерживающей неестественный круговорот, который делает теплые предметы теплее, а холодные – холоднее, обеспечивая разницу температур, которая в естественных условиях (согласно второму закону термодинамики) сама собой исчезла бы.

Отопление или охлаждение воздуха и предметов требует времени. Посчитайте, сколько вам необходимо прибавить или изъять и какой объем можно переместить за секунду, – и вы получите время, нужное для этого процесса. Это соответствует второму закону термодинамики и относится ко всему, что вы хотите нагреть или охладить: от пышущего жаром дома летом до жидких ингредиентов мороженого, которые вы хотите заморозить. Приготовление мороженого дома требует около трех часов только для того, чтобы заморозить молочные составляющие. Конечно, в этом деле есть и свои хитрости. В 1890 году британский кулинар Агнесса Маршалл придумала ловкий способ приготовления мороженого с использованием жидкого азота, нормальная температура которого составляет –196 °C[220]. Почему работает этот способ? Главный ингредиент мороженого – молоко, которое в основном состоит из воды. В этой жидкости много молекул, которые необходимо охладить. В холодильнике уйдет много времени на то, чтобы эти молекулы потеряли энергию и образовали твердое вещество. В жидком азоте эту работу выполняют гораздо более холодные молекулы. Когда они движутся вокруг сосуда с будущим мороженым, они замораживают его значительно быстрее.

Спускаемся под землю

Если вы хотите прогреть дом морозной зимой, вряд ли вас вдохновит перспектива залезть в промерзшую землю. А вот в Скандинавии или Швейцарии люди активно пользуются насосами, которые выкачивают тепло из-под земли и направляют его на обогрев жилища. На первый взгляд это может показаться нарушением второго закона термодинамики, но это неверно. В нескольких метрах вглубь земли есть большие запасы тепла. Земля там намного теплее, чем зимний воздух на поверхности. С помощью небольшого количества электроэнергии возможно нагреть некоторый объем специальной теплопроводящей жидкости под землей, заставить ее отдать тепло в дом и снова направить ее под землю за теплом в очередном цикле.

Согласно первому закону термодинамики, количество теплоты, которое согревает ваш дом, эквивалентно количеству теплоты, поднятому из земли. Но если даже вы можете получить из-под земли эквивалент тепла, производимого четырьмя теплоаккумуляторами (14 кВт, или 14 000 Дж/с), вам ничего не придется платить за нее. Получается, подземные источники тепла работают с почти 100 %-ной эффективностью. Вам остается добавить (заплатив соответствующую сумму) небольшое количество электроэнергии, необходимой для работы насосов, обеспечивающих циркуляцию теплоносителя в цепи. Кажется, что эти системы берут энергию из воздуха (но мы-то знаем, что это невозможно). Они недешевы, но окупаются за 10–15 лет[221].

▲ Добыча тепла из земли. Специальные насосы закачивают теплоноситель в землю и возвращают обратно нагретую жидкость. В доме она проходит через специальный теплообменник. Тепло забирается и «забрасывается» в дом вентиляторами и воздуходувками. Теплоноситель охлаждается и становится готовым к очередному «путешествию» за теплом. Энергия, согревающая дом, идет из-под земли. Для работы насосов и воздуходувок нужно минимальное количество электроэнергии в сопоставлении с получаемым теплом. На первый взгляд это противоречит второму закону термодинамики: энергия движется от более холодного к более теплому предмету. На практике никакого противоречия нет: здесь есть небольшое внешнее воздействие в виде работы насосов и вентиляторов.

Трюки с теплом

Процесс приготовления пищи на первый взгляд кажется полной противоположностью отоплению и охлаждению жилищ (еду мы сначала замораживаем, а потом термически обрабатываем). Кроме охлаждения и заморозки продуктов, есть и другие способы их сохранения, например консервирование. Но пока супермаркеты ориентируются на холодильники покупателей: современные семьи предпочитают охлаждать продукты, чтобы сохранять их.

Количество энергии, которое тратится на охлаждение продуктов и их разогрев, конечно, велико. Но оно не идет ни в какое сравнение с тем, сколько мы тратим энергии на отопление и кондиционирование домов. Когда нам нужно сделать наши дома теплыми зимой и прохладными летом, мы проявляем смекалку и обращаемся к законам термодинамики. Наши уютные дома в любом случае будут охлаждаться зимой: второй закон термодинамики гласит, что энергия передается от теплых предметов к холодным. Но этот закон ничего не говорит о том, с какой скоростью могут идти эти процессы. А ее мы уже вполне можем контролировать. Согласно физическим законам, вы не можете остановить охлаждение теплых домов, но способны его замедлить настолько, насколько захотите. Здесь важнейшую роль играет теплоизоляция.