Повторенье — мать ученья

Температура — мера измерения молекулярной активности тела; ощущаемая энергия тепла в материи.

Тепло измеряется в градусах по разным температурным шкалам. Несмотря на изданный много лет назад Конгрессом США акт о переходе на метрическую систему с использованием температурной шкалы Цельсия (С), большинство американцев продолжают оценивать температуру в градусах Фаренгейта (F). Америке ближе английские меры измерения — унция веса, миля расстояния и т. д., а не принятые в остальном мире граммы, километры или градусы Цельсия.

Шкала Фаренгейта определяет точку замерзания воды как 32 град. F, а точку кипения — как 212 град. F. Нельзя не признать, что шкала эта неудобная, и в ней трудно вести расчеты. В шкале Цельсия за ноль принимают температуру замерзания воды, а за 100 град. С — температуру ее кипения. Существует еще шкала Кельвина (К), начало отсчета которой — абсолютный ноль температуры (- 273 град. С). Единицей измерения в ней является Кельвин, равный градусу Цельсия.

Теплопередача — процесс, с помощью которого молекула передает тепловую энергию другой молекуле.

Все материалы проводят тепло. Но металлы это делают гораздо лучше, нежели неметаллы, жидкости — лучше, чем газы, текучая материя — лучше, чем твердая. Большинство органических материй плохо проводит тепло, а вакуум — самый худший из всех в этом отношении.

Теплоизолятор — любой материал, плохо проводящий тепло.

Лучшие теплоизолирующие материалы лишь замедляют процесс теплопередачи. Человек в современном костюме пожарного может смело шагнуть в пламя и выжить. Однако он в безопасности, только пока шланги поливают его охлаждающей водой, чтобы отвести тепло. Если водяной насос откажет, у пожарного будет лишь несколько секунд для спасения своей жизни.

Вакуум — лучший теплоизолятор, потому что состоит «из ничего». У него есть лишь несколько атомов или молекул, которые можно «взбудоражить». Лучшее применение этому свойству — сосуд Дьюара, используемый в криогенике, а также его бытовой аналог — обычный термос.

Принцип работы термоса прост. По сути, это один сосуд из сверхтонкого стекла внутри другого, оба герметично запаяны, и из пространства между ними выкачан воздух. Кроме того, внутренняя и внешняя поверхности сделаны зеркальными, что предотвращает потерю тепла излучением — оно просто отражается внутрь сосуда. Сверху эта конструкция закрывается пробкой, которая также является хорошим теплоизолятором. Качественный термос может сохранять изначальную температуру очень горячих или, наоборот, ледяных напитков в течение многих часов, в зависимости от температуры окружающей среды.

Тепловое излучение — передача тепловой энергии электромагнитными волнами.

Единственный способ передачи тепловой энергии через вакуум — это излучение. Для вычисления количества тепла, излученного или принятого телом, используется закон Стефана-Больцмана:

 I (ватты) = e × a × A × K4,

где е — коэффициент излучения (равен 0,5 в нашем случае), а — постоянная Стефана-Больцмана (равная 5,6703x10E-8), А — площадь в квадратных метрах, К- температура в Кельвинах.

Тепло, излучаемое с единицы площади поверхности, пропорционально четвертой степени абсолютной (по Кельвину) температуры этой поверхности. Как мы знаем, «четвертая степень» числа означает, что это число должно быть помножено на себя 4 раза. Например, четвертая степень числа 2 равняется 16 (2 х 2 х 2 х 2), а четвертая степень числа 3 равна 81 (3 х 3 х 3 х 3). Число 3 в 1,5 раза больше числа 2. Однако четвертая степень числа 3 в пять с лишним раз больше четвертой степени числа 2 (81/16 = 5,0625). Таким образом, тело с температурой поверхности 3 К излучает в 5 раз больше тепла, чем тело с температурой 2 К. Чем выше температура, тем ниже это соотношение.

Количество излучаемого тепла также зависит от коэффициента излучения и колеблется в пределах от 0 до 1. Идеальный излучатель — это 1, идеальное зеркало — это 0, поскольку оно отражает все падающее на него тепло. При этом коэффициент остается тем же, независимо от того, поглощается тепло или излучается.

Формула Стефана-Больцмана позволяет получить численное выражение в ваттах, которые, умножив на 860, можно перевести в калории — тепловую величину, которая нам привычнее.

Температура поверхности Солнца составляет 6000 К. Излучаемая энергия при такой температуре просто колоссальна. Используя закон Стефана-Больцмана, мы получаем, что 73 487 090 Вт на квадратный метр передается в космос. После прохождения почти 150 миллионов км до Земли это значение падает до 1353 Вт на квадратный метр у границ атмосферы (8, с. 316).

Кипение — испарение жидкости путем подведения тепла.

Когда мы кипятим любую жидкость, мы получаем пар этой жидкости. Наряду с осязаемым теплом (которое можно измерить и термометром), каждый грамм пара содержит большое количество неосязаемого тепла, которое называется теплотой испарения. Если пар физически удалять с места испарения, оставшаяся жидкость охлаждается. Температура кипения жидкости в большой степени зависит от давления окружающей среды. На горной вершине, где атмосферное давление ниже, вода закипает при более низкой температуре. Температура замерзания жидкости также зависит от давления, но в гораздо меньшей степени.

Если поместить стакан с водой в герметичную камеру и постепенно откачивать из нее воздух, создавая тем самым вакуум, вода закипит без какого-либо добавления тепла. А если в стакан поместить термометр, то при отводе пара мы увидим падение температуры воды по мере ее выкипания. При достаточно низком давлении, или высоком вакууме, часть воды превратится в лед, в то время как другая ее часть будет кипеть. В конце концов, вся оставшаяся в стакане вода замерзнет, отдав тепловую энергию выкипевшей воде.

Если вы не поняли, что отводили тепло путем удаления пара, вам может показаться, что вакуум холодный. Большинство научно-фантастических книг, фильмов и телесериалов на космическую тему именно из этого заблуждения и исходят. Но это не так. Если бы космос был настолько холодным, как нам говорят, то любая поверхность корабля, находящаяся по другую сторону от космического светила, стала бы очень хрупкой и подверженной разрушению. Слишком низкие, равно как и слишком высокие, температуры могут серьезно повлиять на структурную целостность большинства материалов. В арктические и антарктические зимы температура падает ниже отметки -50 град. С. В таких условиях резина теряет гибкость, а металл становится ломким. Однако -50 град. С (223 К) — это очень горячо по сравнению с -273 град. С, то есть абсолютным нулем (0 К).

Замораживание — процесс понижения температуры путем удаления тепла.

Механическое замораживание требует больших энергозатрат, мощных моторов, насосов и охладителя, чтобы отвести тепло из хорошо теплоизолированного контейнера. Охладитель должен накапливать тепло, которое он впитывает из контейнера, а также отдавать это тепло в теплообменнике. Насос нужен для перемещения горячего охладителя от контейнера к теплообменнику, а холодного — в обратном направлении.

Теплообменник является ключевой частью конструкции, он передает тепло теплоотводу, которым на Земле является воздух нашей атмосферы или вода в любом водоеме. При отсутствии места, куда можно отвести тепло, не было бы ни замораживания, ни кондиционирования в привычном нам виде. Если включить кондиционер в замкнутом помещении, температура внутри помещения поднимется, хотя непосредственно рядом с аппаратом будет чувствоваться ток холодного воздуха.

Взрывное замораживание — быстрое падение давления жидкости или газа.

В углекислотном огнетушителе прозрачный углекислый газ находится в жидком виде под высоким давлением. При нажатии на рычаг выпущенная из-под давления жидкость моментально превращается в тонкую струю исключительно холодных сухих ледяных частиц. Изначальное тепло теряется из-за колоссального падения давления.

Топливные элементы — генераторы, использующие топливо и кислород, главным образом, для производства электричества постоянного тока и воды вместо тепла. Они схожи с батареями, однако в отличие от батарей, которые с помощью химических процессов накапливают электрическую энергию, топливные элементы путем химического процесса производят относительно небольшое количество электроэнергии, которая не накапливается, а подается по мере надобности.

Когда в закрытой системе (дом, машина и т. д.) образуется количество тепла, большее, чем удается отвести, температура этой системы повышается. Как вы далее увидите, космический корабль или космический скафандр — хороший тому пример.

Резюмирую все сказанное выше: если бы вакуум был холодным, то для охлаждения какого-либо предмета достаточно было бы просто создать вакуумную камеру вокруг него.