Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

С помощью тепловых трубок — устройств, температура которых остается практически постоянной по всей длине, — можно очень легко и удобно концентрировать тепловые потоки. Благодаря этому возникает возможность создать источники энергии на радиоактивных изотопах с низкой плотностью тепловыделения: поглощая тепло на большой поверхности, тепловые трубки концентрируют его на малой площади, где оно удобно может быть использовано для привода теплового двигателя либо термоэлектрического элемента. Так же просто с помощью тепловых трубок можно «разжижать» тепловые потоки, что очень важно во всевозможных системах охлаждения…

В самом деле, хуже всего проводят и излучают тепло газы. Они же хуже всего отдают и получают его при конвекции. А поскольку источники энергии чаще всего генерируют ее именно в виде горячих газов и поскольку газы — лучшее рабочее тело для всевозможных тепловых машин, именно газы всегда были настоящим камнем преткновения в инженерной теплопередаче. Например, в котле от газов в топке теплота передается к внешней поверхности трубки излучением и конвекцией, от внешней поверхности трубки к внутренней — теплопроводностью, от внутренних поверхностей трубок к воде — конвекцией при испарении. Каждый из этих участков представляет собой частное тепловое сопротивление. И как скорость эскадры измеряется скоростью самого тихоходного корабля, так и суммарное тепловое сопротивление целиком зависит от самого большого из всех частных сопротивлений. А таким сопротивлением практически всегда оказывается сопротивление при теплоотдаче к газу. Увеличивая с помощью вентиляторов скорость обдувания трубок газовым потоком, скорость теплоотдачи можно увеличить до нескольких сот ккал/чм²°С. И это предел. Дальнейшее увеличение теплового потока возможно только за счет увеличения поверхности, по которой идет теплообмен с газом: в результате на газовой стороне появляются всевозможные замысловатые ребра. Но вот беда — к концам ребер теплота поступает только за счет теплопроводности, а поскольку она сравнительно невелика, температура ребер оказывается гораздо ближе к температуре охлаждающего газа, чем к температуре охлаждаемых деталей. В результате эффективность их резко падает…

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.

ВЕЗДЕСУЩАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

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.