Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - [67]
▲ Добыча тепла из земли. Специальные насосы закачивают теплоноситель в землю и возвращают обратно нагретую жидкость. В доме она проходит через специальный теплообменник. Тепло забирается и «забрасывается» в дом вентиляторами и воздуходувками. Теплоноситель охлаждается и становится готовым к очередному «путешествию» за теплом. Энергия, согревающая дом, идет из-под земли. Для работы насосов и воздуходувок нужно минимальное количество электроэнергии в сопоставлении с получаемым теплом. На первый взгляд это противоречит второму закону термодинамики: энергия движется от более холодного к более теплому предмету. На практике никакого противоречия нет: здесь есть небольшое внешнее воздействие в виде работы насосов и вентиляторов.
Трюки с теплом
Процесс приготовления пищи на первый взгляд кажется полной противоположностью отоплению и охлаждению жилищ (еду мы сначала замораживаем, а потом термически обрабатываем). Кроме охлаждения и заморозки продуктов, есть и другие способы их сохранения, например консервирование. Но пока супермаркеты ориентируются на холодильники покупателей: современные семьи предпочитают охлаждать продукты, чтобы сохранять их.
Количество энергии, которое тратится на охлаждение продуктов и их разогрев, конечно, велико. Но оно не идет ни в какое сравнение с тем, сколько мы тратим энергии на отопление и кондиционирование домов. Когда нам нужно сделать наши дома теплыми зимой и прохладными летом, мы проявляем смекалку и обращаемся к законам термодинамики. Наши уютные дома в любом случае будут охлаждаться зимой: второй закон термодинамики гласит, что энергия передается от теплых предметов к холодным. Но этот закон ничего не говорит о том, с какой скоростью могут идти эти процессы. А ее мы уже вполне можем контролировать. Согласно физическим законам, вы не можете остановить охлаждение теплых домов, но способны его замедлить настолько, насколько захотите. Здесь важнейшую роль играет теплоизоляция.
Северные овцебыки – одни из самых приспособленных к холоду животных на Земле. У них гораздо больше общего с хорошо утепленным домом, чем вам кажется.
▲ Куда уходит тепло из домов? Теплый воздух обычно поднимается вверх. Вы, наверное, думаете, что самое большое количество тепла в доме утекает через крышу. На самом деле три четверти его утекает через стены, пол, двери и окна. Если вы хотите, чтобы в холодное время года дом хранил тепло и уют, вы должны всеми способами предотвратить утечки тепла и проникновение в жилище холодного воздуха и сквозняков.
Свисающие с тела овцебыков большие пласты с виду неопрятной шерсти в восемь раз теплее шерсти овец. Шерсть хорошо защищает овцебыков от холода и объясняет, почему северные народы называют их oomingmak – «животными с бородами на коже». Но секрет жизнестойкости овцебыков состоит не только в хорошей теплозащите. Они сохраняют тепло еще и благодаря особенностям поведения: большую часть времени они стоят неподвижно и тесно прижавшись друг к другу, как дома в поселке. Такое их состояние называют «стоячей спячкой». Оно замедляет обмен веществ, делая животных неподвластными холоду и сохраняя их силы.
Если тепло ускользает из дома в процессах теплопередачи (прямого контакта), конвекции (движения воздушных масс) и теплового излучения (исходящие лучи энергии), его можно сохранить, замедлив все указанные процессы. Именно это происходит в вакуумном термосе. Ваш горячий или холодный напиток находится в колбе с двумя стенками, покрытыми теплоотражающим составом, с вакуумом между ними (в дешевых вариантах между двумя стенками находится теплоизолирующий материал или просто воздух). За исключением горла термоса и защелкивающейся пробки, других мест, где бы горячая жидкость внутри соприкасалась с холодным воздухом снаружи, нет. В термосе потери тепла в результате теплопереноса сведены к минимуму. Металлический корпус снижает теплопотери, возникающие в связи с излучением, а вакуум и внешнее пластиковое покрытие спасают от конвекции[222].
Теоретически теплоизоляция в домах способна так же эффективно сохранять тепло. Теплоизоляционные материалы на стенах, полах и чердаках обычно представляют собой различные виды полиуретана, асбестового волокна, вермикулита или пластмасс, в структуре которых есть значительное количество воздуха. Двухслойные оконные стекла не так популярны, как стеклопакеты, в которых между стеклами находится воздух, дающий теплоизолирующий эффект. Высокотехнологичные низкоэмиссионные стекла обычно покрываются тонкой пленкой на основе титановых сплавов, которые хорошо отражают солнечные лучи в жару и не выпускают прохладу из помещений. На внутренней поверхности окон такие составы задерживают тепло в помещениях зимой (внешняя и внутренняя металлические колбы в термосе работают так же).
Многие считают, что идеальным способом теплозащиты в их доме было бы двуслойное его покрытие стеклоподобным отражающим веществом на основе поливинилхлорида снаружи и утепление обрешетки крыши изнутри слоем из десятка сантиметров асбестового волокна. Но пока этот вариант труднодоступен. Лучшим в нынешних условиях способом теплоизоляции дома было бы обкладывание его стен снаружи тонким слоем сверхлегкого твердого вещества – аэрогеля
