Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Почему охладить дом так тяжело? Теоретически отопление и охлаждение – противоположные процессы, так что охлаждение жилища не должно быть сложнее. Если у вас есть чашка прохладной воды температурой 10 °C и вы хотите нагреть ее на 90°, чтобы довести до кипения, вы должны сообщить ей некоторое количество энергии. Вы получите то же количество энергии за время, в течение которого вода будет остывать со 100 до 10°. Это первый закон термодинамики в действии – в двух направлениях. Но это не значит, что нагревание и охлаждение – обратимые зеркальные процессы. Вы не можете переключить электрический камин так, чтобы он забирал из комнаты тепло и охлаждал ее. Вы не можете собрать находящееся в комнате тепло и вернуть его в кусок угля, подготовив к повторному использованию назавтра. Почему же?

Тепловая энергия перетекает от нагретого предмета к холодному в результате трех процессов: теплопередачи, конвекции и теплового излучения. При теплопередаче молекулы более теплого предмета отдают тепло молекулам холодного в результате прямого контакта. Конвекция переносит тепло через завихрения и потоки газов и жидкостей. Например, когда вы нагреваете кастрюлю с супом, жидкость на дне согревается быстрее, становится менее густой, устремляется вверх, расталкивая холодные слои так, что они опускаются вниз и тоже нагреваются. Попеременное восхождение теплых потоков и нисхождение холодных циклически переносит тепловую энергию в кастрюльке. Тепловое излучение – невидимые лучи тепла, пронизывающие воздух или вакуум (вспомните инфракрасное излучение, см. главу 8). Это излучение (не имеющее отношения к опасной атомной радиации) заставляет ваши щеки краснеть, когда вы сидите у костра в лесу. Вы согреваетесь, хотя и не прикасаетесь к огню и вокруг вас нет заметной конвекции (потому что вы находитесь на открытом пространстве).

Когда вы включаете трехэлементный электрический камин в гостиной, три металлические трубки или пластины, разогретые докрасна, обеспечивают излучение тепла в комнату и нагревание всех предметов в ней. Постепенно эти предметы тоже становятся мини-источниками тепла, даря его другим объектам в процессе теплопередачи, конвекции и теплового излучения. Однако между нагреванием и охлаждением существует фундаментальная асимметричность, которая не позволяет этим процессам работать в обоих направлениях.

Представьте себе, что вы смогли изобрести для гостиной электрическое охлаждающее устройство, которое, как и камин, состоит из трех трубчатых или пластинчатых элементов, охлаждающихся до ледяного металлического блеска и забирающих тепло из комнаты. Но такая конструкция не будет работать. Во-первых, охлаждение не обратно нагреванию. Один горячий источник (огонь) может в результате теплоизлучения легко передать тепло более холодным объектам в комнате: второй закон термодинамики говорит нам о том, что тепло естественно распространяется и рассеивается в пространстве. Но те же теплые объекты (разогретые жарким летним воздухом) не могут передавать свое тепло более холодным и охладить себя сами. Во-вторых, даже если бы термоэлементы устройства могли впитывать в себя тепло от объектов в комнате, куда бы оно девалось? Таких накопителей не существует. Электрокамин превращает электричество в тепло, получая электроэнергию по проводам. Придать этому процессу обратное направление невозможно. Если вы положите большой кусок льда в электрокамин, он нагреется и растает, потребив энергию из окружающей среды. Но он не может забрать из комнаты всю энергию. Растаяв, он дальше использован быть уже не может. Примерно так же можно объяснить, почему вы не можете охладить кухню, открыв дверь холодильника: всё тепло, которое будет «всосано» внутрь через дверь, всё равно выйдет в виде того же тепла через заднюю панель аппарата.

Создается впечатление, что между отоплением и охлаждением дома есть фундаментальное различие, которое невозможно обойти. Почему же?

Охлаждение и отопление

Нагревание и охлаждение могут быть эквивалентны, но не являются двумя противоположными процессами. Нагрев делает внутреннюю структуру вещей более хаотичной, а охлаждение – наоборот, спокойной и упорядоченной. Нагревание усиливает естественную тенденцию Вселенной к хаосу; охлаждение противодействует ей, внося (пусть и искусственно) в природу больше порядка. Комнату легко отопить, позволив энергии распространяться по ней от электрического обогревателя или камина. Но если вы хотите охладить ее в жаркий день, придется действовать иначе.