Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Вы включаете свет, смотрите телевизор, жарите курицу в электрической духовке — и все это возможно во многом благодаря термодинамической диаграмме.

Но работа Гиббса не ограничивается генерацией энергии. Его графический подход с использованием диаграмм привлек внимание ученых и инженеров к так называемым фазовым переходам — преобразованию вещества, скажем, из жидкой формы в твердую или газообразную и наоборот. Термодинамическая диаграмма показывает, что фазовые переходы происходят при постоянной температуре, при которой энтропия вещества существенным образом меняется. Иными словами, как ни парадоксально, во время таких переходов вещества могут поглощать теплоту, не становясь теплее, и выделять теплоту, не становясь холоднее. Мы отметили, что вода кипит при постоянной температуре в 100 °C. Подобным образом при охлаждении пар, температура которого составляет, скажем, 120 °C, начинает конденсироваться обратно в воду, когда его температура снижается до 100 °C. При этом температура остается неизменной, пока в воду не превращается весь пар. Только после этого температура снова начинает снижаться. Поняв принципы фазового перехода, люди научились творить холод.

Археологические источники свидетельствуют, что наши предки овладели огнем около миллиона лет назад. Делать лед было гораздо сложнее, и охлаждение стало не слишком впечатляющей, но незаменимой технологией современной эпохи. Охлаждение — самое несомненно термодинамическое из всех изобретений человека. Оно также сильнее всех противоречит универсальной тенденции к увеличению энтропии. При работе холодильника теплота идет из холодной зоны внутри в теплую зону снаружи, то есть в направлении, противоположном тому, в котором она движется самопроизвольно. Цель при этом состоит в том, чтобы создать пространство, где будет замедлено неумолимое увеличение энтропии. Хотя, по сути, холодильник — это охлаждающий контейнер, охлаждение служит более важной цели, которая заключается в том, чтобы замедлить процессы гниения и разложения, служащие примерами увеличения энтропии. Следовательно, холодильник можно считать устройством, внутри которого время замедляется.

Сложно переоценить его важность для человеческого прогресса и благосостояния. Значительно увеличив время безопасного хранения и транспортировки продуктов, холодильник привел к самому значительному улучшению человеческого питания с тех пор, как наши доисторические предки открыли, что термическая обработка пищи убивает бактерии. Теперь мы питаемся более безопасной и здоровой пищей, чем когда-либо ранее, а кроме того, охлаждение играет важнейшую роль в широком распространении вакцин, которые спасают миллионы людей от преждевременной смерти и болезней. Паровой двигатель часто называют изобретением, которое стало катализатором Промышленной революции, но холодильник не сильно уступает ему по значимости.

Консервирующие свойства холода были известно давно, но лишь в начале XIX века “заготовка льда” превратилась в международный бизнес. Фредерик Тюдор, бостонский “Ледяной король”, по завершении Войны за независимость стал одним из первых американских миллионеров, поставляя лед из Новой Англии на Карибские острова, в Европу и даже в Индию. На пике развития отрасли в американской торговле льдом работало около 90 тысяч человек. Норвегия экспортировала миллион тонн льда ежегодно, добывая его в системе искусственных озер.

Но можно ли производить лед? Многие совершали такие попытки, надеясь использовать тот факт, что жидкости при испарении оказывают охлаждающий эффект. В конце концов, именно поэтому мы потеем. В 1750-е годы многие, включая Бенджамина Франклина, обратили внимание, что если при комнатной температуре испаряется диэтиловый эфир, который использовался в качестве растворителя, то окружающая среда охлаждается сильнее, чем если в тех же условиях испаряется вода.

Лишь век спустя появились машины, в которых этот эффект стал применяться в промышленном масштабе. Одна, сконструированная в Австралии эмигрантом из Шотландии Джеймсом Харрисоном, который явно изнывал от жары на новом месте жительства, производила в день по несколько тонн льда. Такие устройства, ставшие предками современных холодильников, с помощью энергии пара прокачивали жидкость по спирали трубок, охватывающих резервуар с водой, которая превращалась в лед по мере испарения идущего по трубкам эфира.

Первые холодильники приобретали пивоварни, которые тем самым оставляли очередной след в истории физики. Брожение лагера проходит при температуре около 0 °C, а доступность искусственного льда позволяла варить такое пиво даже жарким летом. В 1870-е годы, когда Джозайя Уиллард Гиббс писал статьи по термодинамике, первые корабли, оснащенные механическими холодильниками, или рефрижераторные суда, стали перевозить замороженное мясо и птицу через Атлантику. В похоронных бюро системы искусственного охлаждения стали использовать для замедления разложения трупов.

Как и прежде, когда появились паровые машины, пионеры охлаждения не уделяли особого внимания физике, лежавшей в основе работы их изобретений. Но впоследствии — опять же как с паром — ситуация изменилась. Физика и техника объединились, когда за дело взялся немецкий ученый, инженер и предприниматель Карл Линде. Рожденный в Баварии в 1842 году, он изучал инженерное дело в Швейцарском федеральном технологическом институте, где среди его преподавателей был один из отцов-основателей термодинамики Рудольф Клаузиус. Затем Линде переехал в Мюнхен, где стал профессором на кафедре машиностроения в Высшей технической школе. (У него учился Рудольф Дизель.)

Линде направил свой талант и знание термодинамики на изучение принципов охлаждения. К 1875 Г°ДУ он использовал термодинамические диаграммы вроде тех, что предложил Гиббс, чтобы повышать эффективность холодильников. Теоретически эти диаграммы показывают поведение любого вещества при нагревании и охлаждении, и Линде с большим успехом экспериментировал с такими химическими соединениями, как аммиак. В 1879 году он оставил преподавание и основал в Висбадене “Компанию Линде по производству холодильных машин”. Его машины были гораздо лучше, чем машины конкурентов, и за десять лет он продал 12 ооо аппаратов в родной Германии и около 750 — в Америке, в основном обеспечивая пивоваров. В 1892 году владельцы дублинской пивоварни “Гиннесс” поинтересовались, может ли Линде поставить им жидкий углекислый газ, чтобы сделать пивную пену плотнее. Это подтолкнуло Линде изучить сжижение воздуха, и он преуспел в этом, достигнув температуры ниже -140 °C. Это, в свою очередь, позволило в промышленных масштабах производить чистый кислород и азот. Массовая электрификация домов в начале XX века сделала домашние холодильники реальностью.

Холодильники, особенно домашние, эксплуатируют физику фазовых переходов. В качестве хладагентов в них используются летучие вещества, которые кипят на низкой температуре около 4 °C. За внутренней стенкой холодильника находится сеть трубок, называемая испарителем. Внутри нее хладагент испаряется, забирая теплоту из устройства при постоянной температуре 4 °C. Но если учесть, что теплота никогда самопроизвольно не движется из холодной зоны в горячую, то как в таком случае заставить новый газ-хладагент, температура которого составляет всего 4 °C, испускать теплоту в окружающую среду, где обычно гораздо теплее — как правило, на 20 °C?