Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Газы обладают низкими коэффициентами теплопроводности, поэтому воздух является хорошим теплоизолятором. Шерстяные одеяла и одежда «заманивают в ловушку» слой воздуха, который содержится в крошечных промежутках между волокнами, поэтому тепло очень медленно уходит из нашего тела во внешнюю холодную окружающую среду, благодаря этому мы и имеем ощущение теплоты, которое нам дает одежда. Шерсть и воздух сами по себе не греют, но создают эффект нагрева, помогая нашему телу сохранить свою собственную теплоту. Для этой цели было бы достаточно и одного воздуха, если бы мы могли заставить его не двигаться. Но нагретый воздух около наших тел постоянно сменяется прохладным воздухом в результате вездесущих воздушных потоков. Теплоту уносит конвекцией, поэтому, кстати, ветреный день кажется нам более холодным, чем безветренный, несмотря на то что температура вокруг нас остается той же самой.

Все вещества имеют коэффициенты теплопроводности больше нуля, и не существует никакого вещества, которое бы имело его равным нулю, то есть было бы абсолютным теплоизолятором. Предположим, тем не менее, что мы воспримем фразу «никакое вещество» буквально и окружим систему вакуумом. Тогда мы получим самый лучший изолятор, чем какой-либо из тех, что мы можем найти в царстве материалов. Физический вакуум обладает коэффициентом теплопроводности, равным нулю, а также не может вызывать теплоотдачу и через конвекцию. Однако даже вакуум не является абсолютным теплоизолятором, он все еще будет служить тропою для потери теплоты через радиацию.

Потеря тепла через радиацию, однако, является более медленным процессом, чем потеря его через кондукцию или конвекцию. Чтобы использовать свойства вакуума, некоторые сосуды делают /двухслойными, а в промежутке между внешней и внутренней стенками создают вакуум. Кроме того, стенки могут быть сделаны зеркальными, так чтобы любая теплота, исходящая через вакуум в любом направлении, почти полностью отражалась. Как результат, процесс проникновения теплоты через такой «вакуумный сосуд» или «термос» происходит чрезвычайно медленно. Горячий кофе в термосе остается горячим в течение длительного периода времени, а холодное молоко настолько же долго остается холодным.

Такие устройства были впервые в 1892 году созданы шотландским химиком Джеймсом Дьюаром (1842–1923). Он использовал их, чтобы хранить чрезвычайно холодные вещества типа жидкого кислорода, создавая им условия, при которых доступ теплоты снаружи минимизирован, а соответственно минимизировано и парообразование. Такие сосуды до сих пор применяются в химических лабораториях и для той же цели; в его честь они называются «сосудами Дьюара».

Подводя итог всему, что было написано в предыдущей главе, мы можем сказать, что в соответствии с опытом всего человечества в любой изолированной системе теплота будет спонтанно перетекать из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой. Справедливо считать это «вторым законом термодинамики».

Представление о теплоте как о своего рода жидкости достигло своего пика в 20-х годах XIX века. Строгий математический анализ потока теплоты согласно этому представлению был выдвинут в 1822 году Фурье — основоположником гармонического анализа. Но еще дальше развил это представление другой французский физик — Никола Леонар Сади Карно (1796–1832).

В 1824 году Карно проанализировал работу парового двигателя в терминах, которые мы можем рассматривать аналогичными тем, что могли бы применяться к анализу водопада. Энергию водопада можно использовать для того, чтобы вращать колесо водяной мельницы, а это движение в дальнейшем может быть использовано для механического привода различных устройств. Таким образом энергия падающей воды может быть преобразована в работу.

Для данного объема воды количество энергии, которое может быть преобразовано в работу, зависит от высоты падения воды, то есть от разности высот от поверхности воды, куда падает водопад, до излома скалы, с которой он падает.

Мы можем измерить эти две высоты от любой согласованной точки отсчета. Приняв уровень воды в водоеме за «нулевую» точку, мы можем сказать, что его высота (h 1) равна нулю. Тогда если высота скалы (h 2) равна 10 метрам, то величина перепада высот будет равна +10 метрам. То есть расстояние, которое пролетает падающая вода, будет равно h 2– h 1 , то есть 10 — 0, или 10 метрам.