Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Тепловые трубы устраняют эту помеху. Пристыкованные к раскаленным кромкам космического аппарата, входящего в земную атмосферу, они мгновенно распространят выделяющееся на кромках тепло на всю поверхность аппарата и спасут наиболее напряженные участки от расплавления и разрушения. Тепло, выделяющееся на анодах мощных электронных ламп, тепловые трубки «размазывают» по большой поверхности, охлаждаемой за счет свободной конвекции в воздухе. Тепловые трубки позволяют избежать опасных тепловых деформаций при нагреве массивных роторов турбин. Они смогут предохранять от тепловых деформаций и трещин космические аппараты, нагреваемые солнечными лучами.

Редкий научный труд получал столь единодушное признание современников, как опубликованный в 1814 году «Трактат о росе». Его автор — скромный лондонский врач Уоллес — вместо причудливых построений, согласно которым роса падает со звезд или образуется из пара, выделяемого растениями, предложил замечательно ясное объяснение. Представьте себе небольшое тело, нагретое до температуры окружающей среды и лежащее на открытом воздухе, на подставке, которая очень плохо проводит тепло. Если ледяная глыба парит на некоторой высоте над этим телом, то оно, излучая теплоту вверх, обратно ото льда будет получать ее в меньшем количестве. Эту убыль тепла не сможет возместить почва: подставка — плохой теплопроводник. Неподвижный окружающий воздух из-за отсутствия конвекции тоже не сможет восполнить потерю. Тело неизбежно становится холоднее окружающей среды, и если воздух богат парами воды, они сконденсируются на холодной поверхности тела.

Уподобив космическое пространство ледяной глыбе, Уоллес с успехом превратил этот мысленный эксперимент в теорию росы. Он объяснил, почему роса выпадает лишь в ясные тихие дни: облака отражают тепловые лучи обратно на землю, а ветер, благодаря конвекции, быстро уравнивает температуру охлажденного тела с температурой окружающей среды.

Дилетант Уоллес затмил специалистов-метеорологов, потому что, «отказавшись витать в облаках», первым обратил внимание на теплопередачу — процесс, неотвратимо возникающий там, где появляются разности температур. Но он действовал здесь методом «доказательства от противного», ибо в сущности «Трактат о росе» — это трактат о том, как взаимодействие различных механизмов теплопередачи приводит к появлению разности температур.

Теперь, когда мы знаем о трех механизмах подвода и отвода тепла — теплопроводности, излучении и конвекции, мы можем любое тело уподобить сосуду, в который вода наливается через три трубы и через три других выливается. И если, перекрывая в различных сочетаниях эти трубы, мы можем регулировать уровень жидкости в сосуде, то, комбинируя различные виды теплопередачи, мы можем регулировать температуру того или иного тела.

Картина сильно упрощается при переносе тела в космос: вакуум разом отключает все виды теплопередачи, кроме одного — излучения. В межзвездном пространстве, вдали от Солнца и планет, тело начинает излучать свое тепло и его температура падает почти до абсолютного нуля. Черный предмет остывает при этом быстрее, чем серебристый, полированный. Попав в сферу действия солнечного излучения, эти предметы начнут нагреваться, но — неожиданный результат! — максимальная температура у них окажется одинаковой и тем большей, чем ближе предметы к поверхности Солнца. Почему так? Да потому, что максимальная температура устанавливается в тот момент, когда количество тепла, притекающего от Солнца к освещенной стороне, становится равным количеству тепла, излученного в космос затененной стороной.

Серебристое тело плохо поглощает тепло, но зато и плохо излучает его, поэтому в принципе оно нагревается до такой же температуры, что и черное тело, которое хорошо поглощает, но и хорошо излучает. А теперь нетрудно сообразить, какие чудеса можно делать в космосе с помощью кисти и ведерка с краской. Достаточно, например, освещенную сторону черного тела замазать серебристой краской, и его температура начнет понижаться. Если, наоборот, посеребрить теневую сторону, то температура полезет вверх. Ее можно увеличить еще больше, если вокруг посеребренной теневой стороны поставить посеребренный с двух сторон тонкий экран. Девять десятых излученного телом тепла этот экран отражает обратно, а одну десятую излучает. Если поставить за ним еще один экран, потерю тепла можно снизить еще в 10 раз и т. д.

В целом эти несложные зависимости дают неплохое приближение к действительности, если нашу планету рассматривать глазами космического наблюдателя. Действительно, она не более как шарик, витающий вокруг Солнца. Получать и отдавать теплоту такой шарик может только излучением. Считая его поверхность и массу однородной, а в этом случае температура нагрева в солнечных лучах не зависит от излучательной способности, нетрудно вычислить, что его средняя температура должна быть около 18 °C.

Эти допущения, которые для космического наблюдателя не более как средство упрощения расчетов, для нас, живущих на поверхности шарика, — вопрос жизни и смерти. Только оценивая один за другим факторы, влияющие на распределение температуры по поверхности земного шара, начинаешь понимать, на какой, в сущности, тонкой нити висит сама возможность жизни на нашей планете. Ведь для того чтобы во всех точках однородной гладкой сферы, помещенной на место нашей Земли, установилась температура + 18 °C, теплопроводность должна быть бесконечно большой. Только при этом фантастическом условии неравномерность облучения экватора и полюсов, вращение планеты вокруг своей оси и наклон этой оси к плоскости эклиптики не будут влиять на температуру в разных точках поверхности. Но если теплопроводность сравнительно невелика, картина мгновенно меняется. У планеты, «глядящей» на Солнце все время одной стороной, точка, лежащая ближе всех других к светилу, нагревается на несколько сот градусов. Противоположная ей точка на теневой стороне, наоборот, охлаждается на несколько десятков градусов ниже нуля. Температуры в остальных точках имеют промежуточные значения.

Теперь стоит начать вращать такую планету вокруг оси, перпендикулярной к плоскости эклиптики, и резкость температурного распределения смягчается. Вместо сильно нагретой и сильно охлажденной точек на поверхности планеты прочерчивается теплый экватор, на полюсах появляются две наиболее холодные точки. От экватора к полюсам температуры постепенно убывают. Если же наложить еще одно условие и придать оси вращения некоторый наклон к плоскости эклиптики, то при каждом обороте нашей гипотетической планеты вокруг Солнца ее верхняя и нижняя половины будут нагреваться то сильнее, то слабее, знаменуя этим смену времен года.