Наука о тепле

Тепловая энергия — самая распространенная в природе.  Люди широко пользуются ею с незапамятных времен, во всяком случае, с тех пор, как они научились добывать огонь.

И хотя свойства веществ, при умеренных температурах, изучены довольно хорошо, быстрое развитие науки и техники ставит перед учением о тепле новые и подчас совершенно необычные задачи. Тепловую энергию используют на электростанциях с органическим и атомным топливом, в металлургии, химии, ракетной технике. Причем интенсивность новых процессов чрезвычайно высока и превосходит все, что техника знала еще совсем недавно. Если раньше мы имели дело с умеренными тепловыми потоками, которые можно сравнить с плавными равнинными реками, то теперь это настоящие горные водопады. Для примера можно сказать, что каждый квадратный метр камеры сгорания современной ракеты «атакуют» несколько десятков миллионов килокалорий тепла в час, тогда как в самых мощных паровых котлах эта величина не превышает и трехсот тысяч.

С каждым годом расширяется и понимание об анализируемых участках температурной шкалы, поскольку, прежде чем исследовать, где и как разыгрываются изучаемые тепловые процессы, нужно знать, с чего начинается сама шкала температур. А это понимание весьма динамичное и изменяющееся! Начинаясь почти у абсолютного нуля, где превращаются в жидкость водород и гелий, а металлы становятся сверхпроводящими, диапазон простирается до миллионов и десятков миллионов градусов температуры сияющих мгновений вспышек раскаленной плазмы. Между этими крайними пределами и расположена узкая область температур, более или менее освоенная техникой.

Что же такое тепловая энергия?

Тепловая энергия — это форма энергии, которая связана с движением атомов, молекул  или других частиц, из которых состоит тело. По сути, тепловая энергия — это энергия механических колебаний структурных элементов вещества (в независимости от того, это атомы, молекулы или заряженные частицы). Существует и другое название у тепловой энергии: например, «внутренняя энергия».

Заметим, что тепловая энергия может выделяться благодаря химическим реакциям (в момент горения), ядерным реакциям (в процессе ядерного синтеза), механическим взаимодействием (в процессе трения), путем сжигания топлива в печах, домовых и групповых котельных и на ТЭЦ. Тепло также может передаваться между телами с помощью теплопроводности, конвекции или при излучении.

Процесс передачи теплоты теплопроводностью  происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии.

Конвекция – это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. При этом, перенос теплоты зависит прямо пропорционально от скорости движения жидкости или газа. Этот вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью.  Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью  называется конвективным теплообменом. 

Процесс передачи теплоты внутренней энергии  тела в виде электромагнитных волн называется излучением (или радиацией). Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение электромагнитных волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом. Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью  называют радиационно-кондуктивным теплообменом. 

Тепловая энергия имеет огромное значение в жизни человека. Так, при помощи тепловой энергии обогреваются жилые дома, предприятия, различные общественные здания. Она участвует в технологических процессах, при ее помощи вырабатывается электрическая энергия.  

Однако не только температура влияет на различные характеристики материалов и скорость протекания тепловых процессов. Например, для поисков путей использования жара планеты, пылающего у нас под ногами на глубине десятков и сотен километров, нужно хорошо знать физические свойства веществ и законы теплообмена при сверхвысоких давлениях.

Для нужд атомной энергетики, к примеру, надо хорошо знать теплоемкость, теплопроводность и другие теплофизические свойства расплавленных металлов и некоторых органических веществ, выполняющих роль переносчиков тепла от ядерных реакторов к пару или газу, вращающему турбину. Сложность подобных исследований в том, что при высоких температурах жидкие металлы активно взаимодействуют с деталями измерительных приборов, искажая результаты опытов.

Какова скорость звука в той или иной среде?

Исследователи и сегодня часто ищут ответ на этот вопрос. Дело в том, что «быстрота», с которой звук распространяется в какой-либо среде, одна из основных характеристик вещества, не менее важная, чем, например, химический состав. Зная эту скорость, можно косвенно, расчётным путем обнаружить многие другие характеристики вещества, которые нельзя получить непосредственно. Физики вывели для этого простую формулу.

Скорость звука в газах, твердых и жидких телах научились определять давно.  Для распространения звука необходима упругая среда. В вакууме звуковые волны распространяться не могут, так как там нечему колебаться. Однако же скорость звука зависит от температуры среды: с увеличением температуры воздуха, к примеру, она возрастает, а с уменьшением — убывает, а в разных газах звук распространяется с разной скоростью. Чем больше масса молекул газа, тем меньше скорость звука в нем, а скорость звука в жидкостях, как правило, больше скорости звука в газах. 

Не меньшей сложностью отличаются тепловые процессы в тех случаях, когда вещество находится одновременно и в твердом и в жидком (или газообразном) состоянии. Примерами могут служить горение твердого топлива или оплавление и испарение передней части космического корабля при входе в плотные слои атмосферы. Задача, в том числе, осложняется здесь еще и химическими реакциями, происходящими между распавшимися на ионы молекулами воздуха.

Не менее интересен и механизм кипения, который возможен только при подводе энергии извне в результате теплообмена. Почему это также важно? В технике появились машины и аппараты с нагревом поверхностей в тысячи градусов. Наиболее эффективный способ их охлаждения — обтекание потоком кипящей жидкости. Но этот вид передачи тепла наиболее сложен для теоретического исследования. Дело в том, что образующиеся при кипении пузырьки пара, поднимаясь на поверхность, все время перемешивают жидкость, как бы размывая прилегающий к поверхности нагрева слой и вовлекая в процесс переноса тепла всю массу жидкости и пара.

В подробном изучении такого способа охлаждения совсем недавно ещё не было острой нужды. Возьмём, например, паровые котлы. Коэффициент передачи тепла от пламени к металлу гораздо меньше, чем от металла к воде. Поэтому, пока в котле есть вода, его стенки перегреться никак не могут. Другое дело — атомный реактор. Его тепловая производительность зависит только от того, сколько калорий мы успеем отвести, ибо поток тепла, идущий к стенке, можно увеличивать практически беспредельно. Охлаждение кипящей жидкостью – дело чрезвычайно тонкое, требующее скрупулезного соблюдения определенных рабочих условий. При малейшем отклонении мгновенно образуются · «паровые рубашки», кипящая жидкость вдруг оттесняется от поверхности аппарата слоем пара, из-за чего передача тепла ухудшается. В результате температура охлаждаемой поверхности настолько возрастет, что аппарат может разрушиться, так сказать, «без особого предупреждения». Все эти сложные явления требуют отдельного тщательного рассмотрения.

Рассмотрим гидродинамическую природу кризисов кипения, так как она хорошо описывает сложные переходные состояния в процессе кипения на основе гидродинамических соображений.  

В виду того, что существуют два основных режима кипения: пузырьковое (пар выделяется в некоторых местах поверхности нагрева в виде отдельных пузырей) и пленочное (поверхность нагрева отделена от массы жидкости сплошным слоем пара), переход от одного режима кипения к другому имеет все черты кризисного явления и сопровождается коренным изменением гидродинамической и тепловой обстановки процесса охлаждения поверхности нагрева.

Рассматриваемое состояние усложняется тем, что в механизме кипения имеют место не один, а два кризиса. При первом – происходит возникновение сплошной пленки пара на поверхности нагрева, и второй, при котором происходит разрушение паровой пленки и восстановление пузырькового режима кипения. При этом плотности теплового потока при первом кризисе существенно больше, чем при втором.

Эта теория вполне плодотворна и нашла признание среди ученых разных стран мира. Впрочем, процессы кипения изучаются не только теоретическим путем. Ведутся детальные кинематографические съемки, используются и другие современные методы исследования. Полученная практика позволяет уточнить теорию, наглядно представить, как процесс кипения развивается во времени.

В заключение хочется сказать о работах по изучению так называемых турбулентных, то есть беспорядочных, движений жидкости. Как и всякий неупорядоченный процесс, турбулентное движение очень трудно подвергнуть математическому исследованию. Особенно трудной эта проблема оказалась в случаях обтекания турбулентным «пограничным слоем» твердых тел. Ученым удалось продвинуть решение этой проблемы благодаря созданию остроумной физико-математической модели таких процессов — модели, использующей понятие «исчезающей вязкости».

Что такое «исчезающая вязкость»? Дело в том, что реальные жидкость или газ всегда имеют какую-то вязкость, и если ее не учитывать, математические расчеты сильно упрощаются. Но, полученный результат в очень неполной мере отражает действительную картину процесса. Если же вязкость учитывать, то расчеты очень усложняются. Короче говоря, с вязкостью трудно, без вязкости бесполезно. И математики разработали хитроумный прием: они стали считать вязкость беспредельно уменьшающейся, но не исчезающей совсем. При этом удалось получить вполне определенные законы, а верность теоретического «портрета» реальному движению осталась. Этот метод позволил с большой точностью решить множество практческих задач.