Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

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 310 24раз 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.