Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

В свете таких экстремальных значений наша повседневная борьба за тепло и прохладу кажется банальщиной. Но независимо от того, находитесь ли вы в черной дыре, вращаетесь с неимоверной скоростью внутри адронного коллайдера или дрожите от холода во временном модуле в Антарктике, вы не можете игнорировать законы физики. Если внешняя температура составляет, например, 0 °C, а мы хотим получить в помещении комфортную для нас температуру 18–20 °C, законы термодинамики однозначно указывают на то, что нам придется заплатить за комфорт, и даже говорят, сколько именно. Давайте посчитаем.

Согреваемся

С чего начать? В теории всё просто. Нужно переписать все предметы, находящиеся в вашей комнате, включая даже ткани, и взвесить их. Измерить внешнюю температуру (скажем, она будет равна 0 °C) и решить, какая температура нужна внутри помещения (скажем, 20 °C). Для каждого материала нужно найти значение удельной теплоемкости (см. главу 2), которое подскажет вам, сколько энергии нужно для того, чтобы нагреть 1 кг конкретного материала на 1 °C. Затем в результате простых вычислений вы можете узнать, сколько энергии необходимо для нагревания всех материалов в помещении до 20 °C, и это количество (благодаря первому закону термодинамики) укажет вам, сколько энергии потребуется на отопление вашего дома.

Вдобавок благодаря этому упражнению вы поймете, что термодинамически ваш дом – не просто коробка, наполненная воздухом. Если вы уезжали из дома зимой на пару недель, то наверняка знаете, что для его прогрева по возвращении нужны по крайней мере два-три дня. Почему? Не только потому, что он охладился больше, чем обычно, но и потому, что каждый атом или молекула в каждом предмете в вашем доме (в теории) потеряли часть кинетической энергии. Чтобы прогреть дом до комфортной температуры, вы должны нагреть каждый атом в нем: в каждом стуле, кресле, книге, наволочке, ручке, карандаше, картинной рамке. Нужно немало времени, чтобы «закачать» энергию во все имеющиеся дома предметы и материалы.

Конечно, подсчитать, сколько тепла нужно вашему дому, сложив теплоемкость всех предметов в нем, довольно трудно. Но есть еще один метод вычисления объемов этого тепла, хотя и не столь точный. Предположим, вы живете в двухэтажном доме с террасой, в котором есть две комнаты на втором этаже и две на первом. В каждом помещении установлен домашний электрический тепловой аккумулятор[216]. Можно предположить, что для нагрева внутреннего пространства до комфортной температуры нужно примерно два дня, в течение которых тепловые аккумуляторы будут работать c максимальной производительностью. Как всё во Вселенной, нагреватели подчиняются закону сохранения энергии (первому закону термодинамики). Если предположить, что они полностью отдают тепло за время с утра до ночи, эта тепловая энергия будет равна электрической энергии, которую они потребляют в течение ночи (скажем, семь часов). Тогда за два дня они будут потреблять электричество 4 × 7 × 2 = 56 часов. Если они однотипные и относятся к подвиду старомодных монстров мощностью 3500 Вт, то в сумме они потребят 196 кВт. ч электроэнергии, или 700 мДж. Это и есть примерное количество тепла, которое хранит в себе небольшой дом. Сравните это количество с табл. 2, и вы увидите, что приблизительно это эквивалентно сжиганию 23 л бензина.

А нужно ли отапливать дом? Закон сохранения энергии указывает, что большая часть пищи, которую мы потребляем, в итоге превращается в тепло, которое рассеивается в окружающем пространстве. Так что при наличии в доме достаточного числа людей вы могли бы поддерживать в нем тепло без нагревательных приборов. А сколько нужно для этого людей? Сидя за столом или прохаживаясь по помещению, вы излучаете 100–200 Вт тепла – столько же, сколько одна или две большие лампы накаливания[217]. Чтобы нагреть комнату так же, как один большой тепловой аккумулятор, понадобится, чтобы в ней сидело 35 человек (или 18 ходило туда-сюда, изнашивая ваши ковры). А чтобы заменить четыре тепловых аккумулятора, понадобилось бы 140 сидящих людей (или 70 слоняющихся по дому). Поэтому в больших концертных залах всегда необходимо мощное кондиционирование воздуха.

Охлаждаемся

Охлаждение дома может быть гораздо более сложным и хлопотным делом, чем отопление. В середине XIX века, когда еще не придумали холодильников и кондиционеров, обливающиеся летом от жары лондонцы вынуждены были рассчитывать только на импорт огромных глыб льда откуда-нибудь из Норвегии. Один известный предприниматель того времени Карло Гатти привозил в то время из Северного моря до 400 т льда за раз[218].