Марк Медовник - Жидкости

Возвращаясь из туалета на свое место, я миновал одну из больших овальных запасных дверей самолета; там был виден маленький иллюминатор и соблазнительно крупная красная ручка. В самолете я всегда испытываю странное желание открыть двери; не знаю даже почему. Если бы я это сделал, воздух в салоне вытянуло бы наружу вместе со мной и всяким, кто оказался бы в этот момент не пристегнутым к креслу. Пристегнутые остались бы на месте, но температура воздуха в салоне упала бы примерно до –50 °C, и давление тоже снизилось бы, так что дышать стало бы очень и очень трудно. В этот момент, как нам известно из предполетного инструктажа по безопасности, из гнезд над головами пассажиров выпали бы кислородные маски.

В низком атмосферном давлении и заключается, разумеется, та причина, по которой мы летаем так высоко. Меньшая плотность воздуха обеспечивает меньшее сопротивление полету, что повышает топливную эффективность самолета и позволяет ему двигаться дальше. Однако полет на такой высоте ставит перед авиаконструкторами двоякую проблему: они должны найти способы сделать так, чтобы пассажиры не задохнулись и не замерзли. Обе задачи решены при помощи кондиционирования воздуха, в истории развития которого фигурируют самые опасные жидкости на планете.

Я вернулся на место и виновато улыбнулся Сьюзен. Одной этой улыбкой я рассчитывал сообщить ей, что мне жаль прерывать ее чтение и заставлять ее отстегивать страховочный ремень; мне неудобно вынуждать ее подниматься, поскольку при этом она невольно стряхивает на пол крошки с коленей, — хотя, разумеется, я не был при этом ни в чем виноват. Всё дело в том, как расположены сиденья в самолете, да и поход в туалет — совершенно естественное дело, даже если не было меня довольно долго.

Сьюзен поднялась с улыбкой, которая, казалось, говорила мне: «Сходить в туалет — это нормально, не беспокойтесь, пожалуйста». Она протиснулась в проход, а я пролез мимо нее обратно на свое место. Мы оба пристегнули ремни, самолет продолжал дергаться и раскачиваться. Турбулентность была вызвана изменениями в плотности воздуха, сквозь который мы пролетали; из-за погодных закономерностей внизу мы шли сквозь смесь воздуха низкой и высокой плотности. Попадая в карманы воздуха высокой плотности, самолет замедлялся из-за возросшего сопротивления. Затем, попадая в карманы низкой плотности, он внезапно рушился на несколько метров вниз, поскольку там снижается подъемная сила крыльев.

Но, несмотря на стремительные изменения давления за бортом, дышалось мне нормально; давление в салоне, хотя и ниже привычного для меня, было вполне стабильно. Поддерживалось оно благодаря кондиционированию воздуха — инженерной области настолько специализированной, что ей интересовался даже Эйнштейн в свое время. Он получил несколько патентов на изобретения в этой сфере, хотя его тогда больше интересовало спасение жизней на земле, чем обеспечение комфортного дыхания во время длительных перелетов.

Эйнштейн пытался решить такую проблему: в 1920-е недавно изобретенные холодильники набирали популярность, а ящики со льдом, которые играли роль домашних ледников и сотни лет использовались для охлаждения продуктов, постепенно исчезали из домов. Но первые холодильники были не особенно безопасными. Эйнштейн был потрясен, когда прочел в газете, что семья с несколькими детьми в Берлине отравилась, потому что потек радиатор холодильника. В то время в этих устройствах использовались три типа жидких хладагентов: метилхлорид, диоксид серы и аммиак. Все они токсичны. Однако были выбраны именно эти вещества, поскольку они имеют низкую температуру кипения.

Холодильники работают за счет перекачивания жидкостей по размещенной внутри них системе труб. Если температура в них выше температуры кипения этих жидкостей, они вскипают. Этот процесс требует притока энергии, необходимой для разрушения связей между молекулами в жидкости (ее называют теплотой фазового перехода), и тепло отнимается из воздуха внутри холодильника, тем самым охлаждая его. Именно этим объясняется необходимость использования жидкостей с низкой температурой кипения: они должны кипеть при температуре, которая обеспечивается внутри холодильника, около 5 °C. Но чтобы жидкость была действительно пригодна для использования в холодильнике, вы должны иметь возможность превращать ее обратно в жидкость, сжимая при помощи насоса.

Чтобы сжать газ в жидкость, необходимо отнять у него всё скрытое тепло (ту же теплоту фазового перехода). По сути, его выжимают из газа. Это происходит на задней стенке холодильника. Вы слышите, когда работает компрессор: это тот самый шум, который время от времени издает ваш аппарат. Именно поэтому сзади он горячий — и именно поэтому вы не сможете охладить дом, открыв его дверцу; охлаждение при этом более чем компенсируется теплом, которое выработает сзади насос. Это будет наглядным проявлением первого закона термодинамики, который гласит: если мы охлаждаем что-то, отнимая у него энергию, то она должна куда-то пойти — она не может просто исчезнуть. В данном случае она уходит наружу с задней стороны холодильника.

Звучит это, возможно, просто: поставить насос в систему труб, содержащих жидкость, а затем добавить туда же клапан, который позволял бы ей превращаться в газ. Но на самом деле это сложная инженерная задача. Газ находится под давлением, его молекулы постоянно движутся, налетая изнутри на стенки труб. Везде, где трубы соединяются с насосом, возникают слабые места. При использовании неправильных материалов там постоянно возникают утечки из-за налетающих молекул расширяющегося и вырывающегося с силой газа. Материал просто не выдерживает нагрузки. Именно так происходило с холодильниками первых моделей. В середине ночи аммиак утекал из них и убивал целые семьи прямо в постелях.

Эйнштейн хотел сделать с этим что-нибудь, а поскольку работал он экспертом в патентном бюро, то неплохо разбирался в технических тонкостях механических и электрических машин. Он начал сотрудничать с физиком по имени Лео Силард, и они стали работать над изобретением холодильника нового типа, который был бы более безопасен для дома. Они хотели вообще избавиться от внешних насосов, а заодно и всех соединительных деталей, с ними связанных, и создать вместо этого систему без подвижных частей, которая будет менее подвержена отказам. С 1926 по 1933 г. Силард и Эйнштейн вместе разрабатывали различные способы превращения жидкостей в газы и обратно и пытались сконструировать работающий холодильник. Конечно, как мы только что обнаружили, жидкость при испарении и превращении в газ охлаждает всё вокруг себя. Обратный процесс всегда осуществлялся при помощи насоса, который вынуждал молекулы газа собираться и сжимал их в жидкость. Но должен был существовать и другой способ. У Силарда и Эйнштейна имелось множество идей. Они построили рабочие прототипы и подали заявки на несколько патентов. В одной из конструкций предполагалось использовать тепло, чтобы прогонять жидкий бутан по системе труб, где он смешивался с аммиаком, становясь при этом газом, и давал охлаждающий эффект. Затем этот газ соединяли с водой, которая поглощала аммиак и позволяла вновь прогнать бутан по трубам, продолжая процесс охлаждения. Во второй конструкции жидкий металл, первоначально ртуть, тек по системе труб, которую изобретатели заставляли вибрировать при помощи электромагнитных сил. Колебания работали как поршень в компрессоре, сжимающем газообразный хладагент в жидкость. По сути, охлаждение происходило за счет воздействия одной жидкости на другую, без всяких подвижных твердых частей. Как и в других конструкциях изобретателей, все рабочие жидкости герметично закупоривались в трубах и предположительно должны были быть безопаснее, чем использовавшиеся в то время модели.