Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

▲ 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.

Как задержать тепло

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^[223]. Часто к его названию прибавляют «замороженный дым» из-за его внешнего вида. Аэрогели настолько эффективны в удержании тепла, что, по словам главного эксперта НАСА по этим веществам доктора Питера Цоу: «Если обычный дом с двумя-тремя спальнями теплоизолировать при помощи аэрогеля, то вы можете отапливать помещение всего одной свечой. Однако в конце концов в таком доме всё равно станет слишком жарко»^[224]. К сожалению, хотя аэрогели в 10 раз эффективнее воздуха при теплоизоляции различных объектов, они намного более хрупкие, чем стекло. Поэтому, скорее всего, пройдет немало лет, прежде чем эти материалы получат широкое применение в строительстве. Пока же архитекторы делают ставку на менее амбициозную, но более практичную технологию сохранения тепла в домах, которая получила название Passivhaus Standard. Она была разработана в Германии в 1990-х и основана на методиках предотвращения утечек теплого воздуха из отапливаемых жилищ. Технология Passivhaus сокращает расходы на отопление в среднем в 5–10 раз. При ее применении счета за отопление типового семейного дома могут составлять около 38 долл. в год^[225].

Звучит впечатляюще, но мы пока новички в том, что касается сохранения тепловой энергии. Достаточно посмотреть на северного овцебыка, чтобы убедиться, насколько умнее природа, чем мы, в борьбе за сохранение тепла. Огромные запасы минерального топлива вроде угля, газа и нефти сделали нас ленивыми и равнодушными, но растущая стоимость энергии (из-за неизбежного сокращения естественных запасов ее источников, роста населения планеты и возрастающего беспокойства по поводу изменений климата) заставит нас уже в ближайшее время всерьез задуматься о том, что мы могли бы сделать для более эффективного сохранения тепла и прохлады в жилищах.

Почему греются и требуют охлаждения компьютеры?

Компьютеры (во всяком случае их процессоры) не имеют движущихся частей. Это не заводские станки и не реактивные двигатели, не тормоза велосипедов и не электрические дрели. Люди могут гадать, как они генерируют тепло, но стоить вам положить руку рядом с перфорированным выходом, через который «охлаждающий» вентилятор (кулер) гонит воздух из компьютера, как вы сразу почувствуете тепло. Поместите ноутбук на колени, и через несколько минут вы почувствуете, будто их поджаривают в тостере. Если бы вы проверили внутреннюю температуру компьютера, то перестали бы этому удивляться. Два моих ноутбука имеют встроенные термометры, которые нередко показывают 90–100 °C. Ничего себе! А ведь единственной движущейся частью в ноутбуках является как раз вентилятор.

Звучит странно? Если компьютеры всего-навсего гоняют числа туда-сюда, то почему они так разогреваются? Ответ – в законах термодинамики. Электропитание ноутбука обычно осуществляется напряжением 20 вольт и силой тока 5 ампер. Следовательно, ежесекундно в него поступает около 100 Дж в виде электрической энергии (мощность электрического устройства – напряжение, умноженное на силу тока). Первый закон термодинамики гласит, что вся поступающая в компьютер энергия должна куда-то расходоваться. В случае с ноутбуком, за исключением той ее части, которая заставляет светиться экран и работать динамики, почти вся энергия превращается в тепло. Если почти 100 Дж энергии выходят из компьютера в виде тепла, то это достаточно много – столько же, сколько тепла дает удивительно неэффективная в смысле потребления электроэнергии 100-ваттная лампа накаливания. Именно поэтому компьютер нагревается, и именно поэтому вашим коленям становится жарко, если на них расположился ваш ноутбук.