Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Влажность и температура воздуха влияют на качество продукции не в одной лишь текстильной промышленности. Бумага, на которой печатают газеты, книги, репродукции, тоже очень чувствительна к влажности и температуре воздуха. Если во время печатания эти параметры не выдерживаются в нужных пределах, бумага садится, вытягивается, коробится, скручивается. Краска на нее ложится плохо, не точно, не просыхает, жухнет. Но хуже всего то, что бумага требует разных условий на складах и в цехах. Погода, чрезвычайно благоприятная, скажем, для хранения бумаги на складе, может оказаться неподходящей для процесса печати и т. д.

На кондитерских фабриках дело обстояло не лучше. Были времена, когда из-за неподходящей погоды приходилось останавливать фабрики на недели, а то и месяцы и, как говорится, «ждать у моря погоды». И здесь та же картина — плиточный шоколад, шоколадные конфеты с начинкой, карамели, леденцы требуют разных температур и влажностей. А выдерживать их в нужных пределах трудно еще и потому, что вся электроэнергия, потребляемая фабриками, выделяется в виде теплоты в производственных помещениях. И выделяется ее иногда так много, что зимой можно даже не топить. Зато летом отводить это тепло невозможно без холодильных машин.

Таким образом, еще до того как встал вопрос об освоении пустынь, холодильные машины освободили крупнейшие области производства от слепой игры климатических условий. Установки для регулирования влажности и температуры воздуха — их стали называть установками для кондиционирования воздуха — с текстильных и кондитерских фабрик позднее перекочевали во многие другие отрасли производства. На фабрики, изготовляющие фотоматериалы, где сырье быстро разлагается при повышенной температуре и влажности. На фармацевтические фабрики, где от температуры изготовления зависят целебные качества лекарств. В машиностроение, где невозможно изготовлять сверхточные детали и измерительные приборы без строгого регулирования температуры в цехе. В музеи, где кондиционеры создают условия, необходимые для сохранения произведений искусства.

С 1920-х годов машины, позволяющие регулировать температуру и влажность воздуха в помещении независимо от по-64 годы на улице, начали устанавливать в театрах, в магазинах, гостиницах, учреждениях, ресторанах и жилых домах. Вот тогда-то и настала очередь пустынь, ибо отпало главное препятствие для строительства крупных городов в этих местах земного шара. Города, возникшие после второй мировой войны в преддверии американских пустынь, разрастаются с феноменальной быстротой, ибо для жителей они представляют гораздо больше удобств, чем города севера. Улицы этих городов не нужно очищать от снега. Зимой здесь не надо топить, здесь — всегда солнце, не нужна зимняя одежда. Больше того, солнечные лучи в пустыне несут так много энергии (больше 1 л. с. на 1 м 2), что ее может хватить для охлаждения помещений днем и для подогрева — ночью. Вот почему некоторые специалисты считают, что человечество сейчас стоит на пороге пустыни, готовясь к тому, чтобы обжить ее. И сделать это было бы невозможно без тепловых машин, работающих в режиме охладителей.

Итак, мы уже ознакомились с двумя областями применения тепловых машин. Это — тепловые двигатели, совершающие механическую работу за счет разности температур, и холодильные машины, понижающие температуру в изолированном объеме ниже температуры окружающей среды за счет затраты механической работы.

В 1852 году лорд Кельвин предложил еще одно применение для тепловой машины. Он предложил с ее помощью отапливать помещения. Тепловой насос — так Кельвин назвал такую установку — охлаждает холодный уличный воздух и передает полученное тепло при более высокой температуре воздуху в помещении. Конечно, такой противоестественный переход теплоты от холодного тела к нагретому не дается даром: как и холодильная машина, тепловой насос потребляет механическую работу. Решив сравнить отопление с помощью теплового насоса и непосредственного нагрева за счет сжигания топлива, Кельвин получил удивительные результаты. Образно выражаясь, каждая единица механической работы, подведенная к идеальному тепловому насосу, прежде чем пасть в отапливаемое помещение, «прихватывала» 5–8 единиц теплоты из уличного воздуха. Поэтому 427 кг/м работы на входе в насос превращалось в 6–9 ккал тепла, отведенного на выходе. Одна же килокалория, выделяющаяся при сжигании некоторого количества топлива, ничем не «обрастает» и остается одной килокалорией. Разумеется, Кельвин делал различие между 427 кг/м механической работы и 1 ккал, получающейся при сжигании топлива. Уж кто-кто, а он понимал: это не одно и то же. Но вот какой примерно расчет убедил Кельвина в том, что им изобретен перспективный способ отопления.

Как это ни удивительно, Силач может справиться с отоплением лучше, чем Огнепоклонник Это можно пояснить с помощью гидравлической аналогии Пусть нужно заполнить водой бак, расположенный на высоте 1 м над уровнем моря. В распоряжении наших героев есть источник воды, расположенный выше уровня моря на 100 м. Проще всего соединить оба бака трубой и перелить из верхнего в нижний 1 м3. Но посмотрите, во что обошлась эта простота! 99 тыс. кг. м механической работы растратились зря, превратившись в теплоту в нижнем баке. Печка — это как раз и есть такое «простое решение». Ведь топливо сгорает при 1000 °C, а в комнате нужно поддерживать всего 20 °C. При печном отоплении перепад температур в 980 °C растрачивается впустую, идет на увеличение энтропии. Именно так и действует Огнепоклонник.

Силач же предлагает более сложное, но более эффективное решение. Надо воду из верхнего бака сливать в море через водяную турбину, соединенную с насосом. Насос засасывает воду из моря и поднимает ее на высоту всего 1 м. В идеальном случае каждый килограмм воды из верхнего бака отдает турбине 100 кг. м А этих 100 кг. м, приложенных к насосу, хватает на то, чтобы поднять с уровня моря на высоту 1 м 100 кг воды! Значит, всего 10 кг воды из верхнего бака окажется достаточно для того, чтобы заполнить нижний, емкостью в 1 м3. Тепловой насос выполняет точно такую же работу, как насос в нашем примере, а тепловой двигатель играет роль водяной турбины.

Мы уже говорили, что, сжигая какое-то количество топлива в печке, можно подвести к воздуху в комнате, скажем, 1 ккал тепла. Если то же количество топлива сжечь в топке теплового двигателя, то в механическую работу удастся превратить лишь часть этого тепла, ну, процентов 20, что эквивалентно 85 кг/м. Подведем теперь эти 85 кг/м к тепловому насосу, и он «накачает» в помещение минимум в 6 раз больше теплоты, то есть 6X85 = 510 кг/м, или 1,2 ккал. Вместо 1 ккал — 1,2 ккал. Выходит, с точки зрения отопления выгоднее сжигать топливо не прямо в печке, а через цепочку «тепловой двигатель — тепловой насос».