Нас всіх (Україну, Європу і опосередковано весь інший світ) лякають холодною зимою. Я теж полякалась і вирішила думати.
Що таке тепло
Тепло – це енергія руху атомів і/чи молекул, з яких складається тіло.
Тепло може з’являтися завдяки хімічним реакціям (у тому числі горіння і нагрів тіл теплокровних тварин), як результат ядерних реакцій (Сонце), внаслідок механічної взаємодії (тертя, але не долоні об долонь, а, скажімо, свердлом об бетон) і електромагнітно за законом Джоуля-Ленца (коли нагрівається провідник, через який проходить електричний струм).
Вивченням тепла займається термодинаміка. В основі термодинаміки було уявлення про те, що все тепло передається особливим чимось під назвою теплород. Зараз в нас є атомна теорія будови речовин та чотири базові взаємодії, в результаті яких народжується енергія: електромагнітна, гравітаційна, сильна і слабка взаємодії. Але це знання не дуже допомагає зігрітись, тому в розрахунках на рівні тіл, а не молекул, зазвичай користуються старою доброю термодинамікою, яка все пояснює через передачу тепла, але дозволяє отримувати правильні результати, коли ми думаємо, якого розміру має бути каструля окропу, щоб у ванні можна було помитися.
Закони термодинаміки
У термодинаміки є три (чотири) основні закони.
0. Закон. Нульовий, бо був сформульований найпізніше – ізольована система з часом переходить в термостатичний стан, тобто якщо спростити ще більше – температура всього в ізольованій системі стане однаковою. У (майже) всього в закритій кімнаті однакова кімнатна температура. У (майже) всього в кімнаті з відкритими на вулицю вікнами чи дахами буде однакова вулична температура.
Перший закон – закон збереження енергії, який каже, що в ізольованій системі енергія зберігається, але може змінювати форму. Тут дуже важливе словосполученні “ізольована система”. Один з висновків цього закону – неможливо створити вічний двигун, що б вам не розказувала реклама про нагрівачі, які відають більше тепла, ніж використовують енергії.
Другий закон – ентропія існує і постійно зростає. Наслідками цього закону є те, що неможливо передати тепло від холодного тіла до теплого (до холодильника ми спеціально підводимо додаткову енергію, тому там складніше), що утворення тепла внаслідок тертя незворотне, тобто завжди є витрати енергії при терті, що неможливо створити вічний двигун другого типу.
Третій закон – ентропія рівновісної системи буде прямувати до нуля при температурі, близькій до абсолютного нуля (0 за шкалою Кельвіна чи -273 за Цельсієм, що трішки менше температури комфорту людини, тому далі в пояснені цей закон не буде використовуватися).
Ізольована система – така система, яка не обмінюється енергією* з тим, що зовні. В реальному житті не зустрічається, але ми будемо намагатись створювати щось схоже.
Тепло може передаватися через контакт, конвекційно (теплі потоки повітря – це воно) або випроміненням.
Тобто тепло утворюється, передається, намагається вирівняти температуру всієї системи (Всесвіту) десь близько абсолютного нуля, приблизно +3 за Кельвіном. Для того, щоб зберігати свої комфортні +17-22 у приміщенні і +36-37 на шкірі, нам треба намагатись засунути себе в ізольовану систему і припинити теплообмін з усім, що ззовні системи.
Теплоємність
Ще один корисний фізичний термін – теплоємність. Це кількість тепла, яку треба надати тілу, щоб нагріти його на 1 градус. У різних матеріалів вона різна. Про це ще була табличка в підручнику фізики.
Обернене – коли щось вистигає на один градус, це щось виділяє саме стільки тепла, і за табличкою можна обрати, з чого зробити цеглу, щоб нагріти її, наприклад, на вогнищі, і занести до кімнати (бетонна краща за червону цеглу, а вода ще краща, якщо не буде випаровуватись, тобто буде в пляшці, наприклад. Якщо дати воді вільно випаровуватися, частина тепла піде на випаровування і збільшиться вологість, що створить додаткові проблеми).
Теплопровідність
Деякі речовини дуже добре передають тепло з точки А до точки В, а деякі – погано.
Ті предмети, які за кімнатної температури здаються нам холодними, гарно передають тепло, ті, що здаються теплими – погано. Так металева ніжка стільця здається холодною, і, відповідно, є кращим теплопровідником, ніж плед на дивані. Для точнішої оцінки варто використовувати таблиці.
В питанні збереження тепла ми шукаємо те, в чого теплопровідність низька, і те, де знаходяться предмети з високою теплопровідністю. Якщо суцільні металеві двері виходять до теплого під’їзду – нічого страшного, а якщо на морозну вулицю при -20 – Х’юстоне, у вас проблеми. Подібні предмети ще називають містками холоду, хоча це не холод заходить, а виходить тепло.
У повітря коефіцієнт теплопровідності 0.026 Вт/(м·K), у вовни – 0.05, в скла – 1, а в алюмінію – 236. Різниця між повітрям і алюмінієм 5 порядків, тобто 100000 разів. Йой.
Земля й тепло
Земля достатньо ізольована від космосу атмосферою, отримує додаткову енергію від Сонця (вкладом Місяця, планет й інших зір ми знехтуємо), гріє сама себе зсередини ядерними процесами. Тому найнижча природня температура – −89.2 °C (є дані про -94.7°C ), найвища – +58. Тобто вже краще, ніж в середньому в космосі. Найхолодніше на полюсах Землі, найтепліше на екваторі. В нашому помірному поясі було б ок, але через зміни зими і літа є періоди холодні і спекотні.
Середня річна температура в Україні від +11-13 °C на півдні до +5-7 °C на півночі, середня зимова (січнева на півночі) – −7- 8 °C, найнижча колись зареєстрована – -42 °C в Луганській області. Оскільки найнижча температура була занесена з вітрами з Сибіру , глобальне потепління ще не скоро допоможе вберегтись від можливих морозів. Але екстремальні морози навіть якщо будуть, будуть не довгими, тому більшість часу матимемо справу з 0-8 °C
Комфортна для людини температура 17-22 °C. Тобто треба подолати різницю в 15-30 градусів між вулицею і будинком, щоб в будинку було тепло.
В землі з глибини 10-15 метрів температура встановлюється на досить комфортних людям +20. На використанні цієї можливості заснована цікава ідея теплових насосів, коли повітря з вулиці фільтрується, відправляється під землю, зігрівається чи охолоджується самою землею, щоб набути потрібні +20, а потім відправляється до будинку. Нажаль, така система довго влаштовується і багато коштує, тому можна не встигнути до цієї зими. Але при всьому іншому копати землянки – непогана ідея.
*Ненависть в срачах – не фізичний тип енергії, вона не впливає на на термодинаміку. Поки не починає підгорати…
Add Comment