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

Однако, если грамм кипящей воды добавить к килограмму ледяной воды, поток теплоты потечет от кипящей воды в ледяную воду. Направление потока теплоты определяет вовсе не разность в полном содержании теплоты. Скорее его определяет разница в температуре. И снова наша аналогия: если в связанных между собой сосудах, упомянутых выше, левый будет иметь более узкий диаметр, а правый — более широкий, то вода будет течь со стороны меньшего объема к области большего объема. Не разница в полном объеме, но разница в давлении будет диктовать направление потока воды.

Скорость, с которой вода будет течь из одной части системы к другой, будет зависеть от величины разности давлений. Сначала, когда мы откроем вентиль на трубке, вода потечет быстро, но по мере того, как разность давлений по обе стороны трубки будет уменьшаться, эта скорость (или «расход жидкости») также упадет. Расход становится все меньше по мере того, как падает разница в давлениях и обращается в нуль, как только вода «находит свой уровень» и разница в давлениях исчезает.

Очевидно, аналогично можно изобразить передачу потока теплоты при помощи теплопроводности. Расход теплоты из горячей области в холодную зависит частично от разницы температур между ними. Обычно вычисляют количество теплоты, которое будет протекать за одну секунду через куб с ребром, равным одному сантиметру, у которого одна сторона на 1 °C холоднее, чем противоположная. Это количество теплоты называется «коэффициентом теплопроводности» и измеряется в калориях на сантиметр за секунду на градус Цельсия (кал/см∙с∙°С).

Даже если мы имеем некую заданную разность в давлениях воды, все равно мы можем изменить величину водного потока в зависимости от того, течет ли он через широкое отверстие, узкое отверстие, ряд узких отверстий, губку, грубое полотно, утрамбованный песок и так далее. То же самое истинно и для теплоты: даже в тех случаях, когда имеется перепад температур, теплота будет более быстро перетекать через одно вещество, чем через другое. Другими словами, коэффициент теплопроводности изменяется от вещества к веществу.

Считается, что вещества, у которых коэффициент теплопроводности является высоким, — хорошие проводники теплоты; те же, у которых коэффициент теплопроводности низкий, считаются плохими проводниками тепла. Вообще металлы — хорошие проводники теплоты, а неметаллы — плохие. Лучший проводник среди металлов — медь, с коэффициентом теплопроводности, равным 1,04 кал/см∙с∙°С. Для сравнения: вода имеет коэффициент теплопроводности, равный 0,0015 кал/см∙с∙°С, а некоторые виды древесины имеют коэффициенты теплопроводности даже еще ниже, вплоть до 0,00009 кал/см∙с∙°С.

Именно по этой причине холодный металл ощущается как намного более холодный, чем холодная древесина. Металл и древесина могут иметь равную температуру, но тепло покидает руку гораздо быстрее, когда она находится в контакте с металлом, чем с древесиной. Температура той части руки, которая вступила в контакт с металлом, понижается намного быстрее. Аналогично, мы можем без опаски поднять ведро кипящей воды за деревянную или пластмассовую накладку на ее ручке, поскольку теплота от металла (которого мы рекомендуем не касаться) проходит через древесину или пластмассу крайне неохотно и недостаточно интенсивно, чтобы нанести нам ущерб.

Система, полностью окруженная материалом с низкой удельной теплопроводностью, очень медленно отдает теплоту в окружающую внешнюю среду; она также и получает теплоту извне крайне медленно, даже невзирая на то, что разница в температурах, внешней и внутренней, может быть значительной. Система выглядит как остров, если можно так выразиться, специфической температуры посреди внешнего моря различной температуры. Поэтому такую систему называют «изолированной» (от латинского слова, означающего «остров»), а материал, обладающий низкой удельной теплопроводностью, называют «теплоизолятором» или «теплоизоляционным материалом».

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).