Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

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 %.