Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Зато в плотной среде этот механизм действует весьма энергично. Свободная конвекция в воде — например, при нагревании воды в чайнике — дает коэффициенты теплоотдачи от 200 до 1000 ккал/ч м² °С. А когда вода начинает кипеть, когда паровые пузыри дробят, сдувают, срывают пограничный слой, когда, всплывая, они перемешивают горячие и холодные порции жидкости, коэффициент теплоотдачи может достигать 40–45 тыс. ккал/чм²°С. Обратный процесс — конденсация пара идет еще интенсивнее. Здесь коэффициент теплоотдачи достигает 100–120 тыс. ккал/ч•м²•°С. Но и в том и в другом случае необходимо соблюдать одно условие: жидкость при кипении должна соприкасаться непосредственно с нагревающей поверхностью, а пар при конденсации должен соприкасаться непосредственно с поверхностью охлаждающей. Стоит поверхности покрыться при кипении непрерывной паровой, а при конденсации непрерывной жидкостной пленкой — и теплоотдача резко падает.

Толщину пограничного слоя можно уменьшить принудительным образом, обдувая горячую стенку воздухом с помощью вентилятора. Достаточно, скажем, повысить скорость до 5 м/с, и коэффициент теплоотдачи с 8 ккал/чм²°С при свободной конвекции поднимается до 30 ккал/ч•м²•°С. При такой принудительной конвекции все, что способствует турбулизации — завихрениям в потоке, увеличивает коэффициент теплоотдачи. В этом смысле шероховатые стенки лучше, чем идеально гладкие, поперечное обтекание труб лучше, чем продольное, тонкие трубки лучше, чем толстые.

До сих пор мы рассматривали механизмы передачи тепла в отрыве один от другого. Но на практике такие случаи чрезвычайно редки. Гораздо чаще на практике приходится сталкиваться с совокупным действием всех трех механизмов теплопередачи. Действием, которое делает процессы в окружающем нас мире необыкновенно сложными, необыкновенно трудными для научного анализа, но зато и необыкновенно разнообразными, богатыми и интересными для наблюдения и размышления возможностями…

ГИМН ОХЛАЖДЕНИЮ

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 310²⁴ раз 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.