Как NASA показало Луну Америке

автор - Рене Ральф

Горячее и холодное

Самое большое заблуждение относительно космоса - это то, что он якобы холодный. Гигантская научная машина NASA не сделала ровным счетом ничего, чтобы развенчать этот миф. Более того, она всячески его продвигала для собственных нужд. И хотя одно из определений холода - это отсутствие тепла, космос является абсолютным исключением из этого правила.

Будучи ребенком, я читал научно-фантастические рассказы и постоянно натыкался на повторяющуюся ситуацию такого типа: "Джей Вордак попал в беду. Ему удалось извлечь генератор лучей Крентака из помещения на корабле Вулса, но робот-охранник разбил обогреватель его скафандра в последние секунды полета. Луч может спасти людей, только если в ближайшие несколько минут удастся добраться до корабля, заваленного валунами на этом пустынном каменном астероиде. Он чувствовал пробирающий до костей холод космоса, быстро высасывающий тепло из его тела".

До написания этой книги я как-то не задумывался о том, что космос на самом деле не холодный и не горячий. Лишь материя может иметь эти свойства, а космос - это отсутствие материи. Наука утверждает, что тепло - это мера молекулярной активности. Поскольку в космосе очень мало атомов или молекул, он является практически идеальным вакуумом. И в то же время великолепным теплоизолятором и лучшим во вселенной теплоотводом. Он существует в неизменном виде, несмотря на соседство невероятно горячих поверхностей звезд. Он также совершенно нечувствителен к почти абсолютно нулевым температурам поверхностей некоторых комет, бороздящих межзвездное пространство.

Однако прежде чем мы сможем осознать, что происходит на космическом корабле или в космическом скафандре, нужно понять, что же такое тепло. Этот раздел будет повторительным уроком для тех, кто когда-то много знал о тепле, и вводным курсом для тех, кто знает только то, что лед холодный, а огонь горячий.

Повторенье - мать ученья

Температура - мера измерения молекулярной активности тела; ощущаемая энергия тепла в материи.

Тепло измеряется в градусах по разным температурным шкалам. Несмотря на изданный много лет назад Конгрессом США акт о переходе на метрическую систему с использованием температурной шкалы Цельсия (С), большинство американцев продолжают оценивать температуру в градусах Фаренгейта (F). Америке ближе английские меры измерения - унция веса, миля расстояния и т. д., а не принятые в остальном мире граммы, километры или градусы Цельсия.

Шкала Фаренгейта определяет точку замерзания воды как 32 град. F, а точку кипения - как 212 град. F. Нельзя не признать, что шкала эта неудобная, и в ней трудно вести расчеты. В шкале Цельсия за ноль принимают температуру замерзания воды, а за 100 град. С - температуру ее кипения. Существует еще шкала Кельвина (К), начало отсчета которой - абсолютный ноль температуры (- 273 град. С). Единицей измерения в ней является Кельвин, равный градусу Цельсия.

Теплопередача - процесс, с помощью которого молекула передает тепловую энергию другой молекуле.

Все материалы проводят тепло. Но металлы это делают гораздо лучше, нежели неметаллы, жидкости - лучше, чем газы, текучая материя - лучше, чем твердая. Большинство органических материй плохо проводит тепло, а вакуум - самый худший из всех в этом отношении.

Теплоизолятор - любой материал, плохо проводящий тепло.

Лучшие теплоизолирующие материалы лишь замедляют процесс теплопередачи. Человек в современном костюме пожарного может смело шагнуть в пламя и выжить. Однако он в безопасности, только пока шланги поливают его охлаждающей водой, чтобы отвести тепло. Если водяной насос откажет, у пожарного будет лишь несколько секунд для спасения своей жизни.

Вакуум - лучший теплоизолятор, потому что состоит "из ничего". У него есть лишь несколько атомов или молекул, которые можно "взбудоражить". Лучшее применение этому свойству - сосуд Дьюара, используемый в криогенике, а также его бытовой аналог - обычный термос.

Принцип работы термоса прост. По сути, это один сосуд из сверхтонкого стекла внутри другого, оба герметично запаяны, и из пространства между ними выкачан воздух. Кроме того, внутренняя и внешняя поверхности сделаны зеркальными, что предотвращает потерю тепла излучением - оно просто отражается внутрь сосуда. Сверху эта конструкция закрывается пробкой, которая также является хорошим теплоизолятором. Качественный термос может сохранять изначальную температуру очень горячих или, наоборот, ледяных напитков в течение многих часов, в зависимости от температуры окружающей среды.

Тепловое излучение - передача тепловой энергии электромагнитными волнами.

Единственный способ передачи тепловой энергии через вакуум - это излучение. Для вычисления количества тепла, излученного или принятого телом, используется закон Стефана-Больцмана:

где е - коэффициент излучения (равен 0,5 в нашем случае), а - постоянная Стефана-Больцмана (равная 5,6703x10E-8), А - площадь в квадратных метрах, К- температура в Кельвинах.

Тепло, излучаемое с единицы площади поверхности, пропорционально четвертой степени абсолютной (по Кельвину) температуры этой поверхности. Как мы знаем, "четвертая степень" числа означает, что это число должно быть помножено на себя 4 раза. Например, четвертая степень числа 2 равняется 16 (2 х 2 х 2 х 2), а четвертая степень числа 3 равна 81 (3 х 3 х 3 х 3). Число 3 в 1,5 раза больше числа 2. Однако четвертая степень числа 3 в пять с лишним раз больше четвертой степени числа 2 (81/16 = 5,0625). Таким образом, тело с температурой поверхности 3 К излучает в 5 раз больше тепла, чем тело с температурой 2 К. Чем выше температура, тем ниже это соотношение.

Количество излучаемого тепла также зависит от коэффициента излучения и колеблется в пределах от 0 до 1. Идеальный излучатель - это 1, идеальное зеркало - это 0, поскольку оно отражает все падающее на него тепло. При этом коэффициент остается тем же, независимо от того, поглощается тепло или излучается.

Формула Стефана-Больцмана позволяет получить численное выражение в ваттах, которые, умножив на 860, можно перевести в калории - тепловую величину, которая нам привычнее.

Температура поверхности Солнца составляет 6000 К. Излучаемая энергия при такой температуре просто колоссальна. Используя закон Стефана-Больцмана, мы получаем, что 73 487 090 Вт на квадратный метр передается в космос. После прохождения почти 150 миллионов км до Земли это значение падает до 1353 Вт на квадратный метр у границ атмосферы (8, с. 316).

Кипение - испарение жидкости путем подведения тепла.

Когда мы кипятим любую жидкость, мы получаем пар этой жидкости. Наряду с осязаемым теплом (которое можно измерить и термометром), каждый грамм пара содержит большое количество неосязаемого тепла, которое называется теплотой испарения. Если пар физически удалять с места испарения, оставшаяся жидкость охлаждается. Температура кипения жидкости в большой степени зависит от давления окружающей среды. На горной вершине, где атмосферное давление ниже, вода закипает при более низкой температуре. Температура замерзания жидкости также зависит от давления, но в гораздо меньшей степени.

Если поместить стакан с водой в герметичную камеру и постепенно откачивать из нее воздух, создавая тем самым вакуум, вода закипит без какого-либо добавления тепла. А если в стакан поместить термометр, то при отводе пара мы увидим падение температуры воды по мере ее выкипания. При достаточно низком давлении, или высоком вакууме, часть воды превратится в лед, в то время как другая ее часть будет кипеть. В конце концов, вся оставшаяся в стакане вода замерзнет, отдав тепловую энергию выкипевшей воде.

Если вы не поняли, что отводили тепло путем удаления пара, вам может показаться, что вакуум холодный. Большинство научно-фантастических книг, фильмов и телесериалов на космическую тему именно из этого заблуждения и исходят. Но это не так. Если бы космос был настолько холодным, как нам говорят, то любая поверхность корабля, находящаяся по другую сторону от космического светила, стала бы очень хрупкой и подверженной разрушению. Слишком низкие, равно как и слишком высокие, температуры могут серьезно повлиять на структурную целостность большинства материалов. В арктические и антарктические зимы температура падает ниже отметки -50 град. С. В таких условиях резина теряет гибкость, а металл становится ломким. Однако -50 град. С (223 К) - это очень горячо по сравнению с -273 град. С, то есть абсолютным нулем (0 К).

Замораживание - процесс понижения температуры путем удаления тепла.

Механическое замораживание требует больших энергозатрат, мощных моторов, насосов и охладителя, чтобы отвести тепло из хорошо теплоизолированного контейнера. Охладитель должен накапливать тепло, которое он впитывает из контейнера, а также отдавать это тепло в теплообменнике. Насос нужен для перемещения горячего охладителя от контейнера к теплообменнику, а холодного - в обратном направлении.
Теплообменник является ключевой частью конструкции, он передает тепло теплоотводу, которым на Земле является воздух нашей атмосферы или вода в любом водоеме. При отсутствии места, куда можно отвести тепло, не было бы ни замораживания, ни кондиционирования в привычном нам виде. Если включить кондиционер в замкнутом помещении, температура внутри помещения поднимется, хотя непосредственно рядом с аппаратом будет чувствоваться ток холодного воздуха.

Взрывное замораживание - быстрое падение давления жидкости или газа.

В углекислотном огнетушителе прозрачный углекислый газ находится в жидком виде под высоким давлением. При нажатии на рычаг выпущенная из-под давления жидкость моментально превращается в тонкую струю исключительно холодных сухих ледяных частиц. Изначальное тепло теряется из-за колоссального падения давления.

Топливные элементы - генераторы, использующие топливо и кислород, главным образом, для производства электричества постоянного тока и воды вместо тепла. Они схожи с батареями, однако в отличие от батарей, которые с помощью химических процессов накапливают электрическую энергию, топливные элементы путем химического процесса производят относительно небольшое количество электроэнергии, которая не накапливается, а подается по мере надобности.

Когда в закрытой системе (дом, машина и т. д.) образуется количество тепла, большее, чем удается отвести, температура этой системы повышается. Как вы далее увидите, космический корабль или космический скафандр - хороший тому пример.

Резюмирую все сказанное выше: если бы вакуум был холодным, то для охлаждения какого-либо предмета достаточно было бы просто создать вакуумную камеру вокруг него.