Страницы 101–110

Êàê ÷åëîâåê íàãðåâàë è ïðîäîëæàåò íàãðåâàòü ñâîå æèëèùå? Ìû íàó÷èëèñü íàãðåâàòü ñâîé äîì ãîðàçäî ðàíüøå, ÷åì
îõëàæäàòü åãî. ×òîáû íå çàìåðçíóòü, íàøè ïðåäêè ðàçâîäèëè
êîñòðû â ïåùåðàõ. Ê ñîæàëåíèþ, ìû íå äàëåêî óøëè âïåðåä.
Ïðîñòî áîëüøèíñòâî èç íàñ íå âèäÿò òåõ êîñòðîâ, êîòîðûå äåíü
è íî÷ü ãîðÿò, ÷òîáû â êâàðòèðàõ áûëî òåïëî.  êðóïíûõ ãîðîäàõ,
ãäå òåïëàÿ âîäà óñïåâàåò îñòûòü íà ñâîåì äîëãîì ïóòè îò òîãî
ìåñòà, ãäå åå íàãðåâàþò, äî æèëûõ äîìîâ, åå ïðèõîäèòñÿ ïîäîãðåâàòü äâàæäû. Ïîýòîìó ÷àñòî òàì, ãäå õîëîäíî, íî íåò òîïëèâà,
ëþäè ìåðçíóò, à ñòðàíû âîþþò ìåæäó ñîáîé çà ïðàâî îáëàäàòü
ìåñòîðîæäåíèÿìè ãàçà è íåôòè. Íî òåïëî îêðóæàåò íàñ ñî âñåõ
ñòîðîí! Ïðîñòî íàäî óìåòü âçÿòü åãî è ïåðåíåñòè â äîì.
Êàê ïåðåíåñòè òåïëî àòìîñôåðû è çåìëè â äîì? Êîíå÷íî,
åñëè çèìîé ïðîñòî âíåñòè íåêîòîðûé îáúåì âîçäóõà èëè êóñîê çåìëè
ñ óëèöû äîìîé, òî â êâàðòèðå òåïëåå íå ñòàíåò. Îäíàêî ìîæíî
ïîñòóïèòü ïî-äðóãîìó. Íàõîäÿñü íà óëèöå, âîçüìåì æèäêîñòü,
êèïÿùóþ ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå, íàïðèìåð ôðåîí-12 ( CF2Cl2 ),
è íàëüåì íåñêîëüêî ìèëëèëèòðîâ åå â ðåçèíîâûé øàðèê, ïîñëå
÷åãî ñðàçó çàâÿæåì øàðèê âåðåâêîé, ÷òîáû ïàðû ôðåîíà íå
óëåòó÷èëèñü. Òàê êàê òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ ôðåîíà ðàâíà
–33 °C, òî äàæå çèìîé íà óëèöå âåñü ôðåîí èñïàðèòñÿ, à øàðèê
íàäóåòñÿ. Êàæäûé ãðàìì ôðåîíà, èñïàðÿÿñü, áåðåò òåïëî èç
õîëîäíîãî âîçäóõà, êîòîðîå ìîæíî îöåíèòü, çíàÿ óäåëüíóþ
òåïëîòó ïàðîîáðàçîâàíèÿ ôðåîíà (139 êÄæ/êã). À òåïåðü âíåñåì ýòîò øàðèê â êîìíàòó è ñîæìåì åãî. Êîãäà äàâëåíèå âíóòðè
øàðèêà âûðàñòåò íàñòîëüêî, ÷òî ïàðû ôðåîíà íà÷íóò êîíäåíñèðîâàòüñÿ, âñÿ òà òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ, êîòîðóþ ìû îòíÿëè íà óëèöå
ó õîëîäíîãî âîçäóõà, âûäåëèòñÿ â êîìíàòå, è òàì ñòàíåò òåïëåå.
Íó à ïîòîì, êîãäà øàðèê îñòûíåò, ÷òîáû çàâåðøèòü öèêë, ìîæíî
îïÿòü âûíåñòè åãî íà óëèöó, óìåíüøèòü äàâëåíèå âíóòðè íåãî è
ñíîâà äîæäàòüñÿ, ïîêà âåñü ôðåîí èñïàðèòñÿ. Òàêèì îáðàçîì,
ñîâåðøàÿ ðàáîòó íàä ïàðîì, ìû ïåðåíîñèì òåïëî îò áîëåå
õîëîäíîãî òåëà (âîçäóõ íà óëèöå) ê áîëåå òåïëîìó (âîçäóõ â
êîìíàòå). Óñòðîéñòâà, äåëàþùèå ýòî öèêëè÷åñêè, íàçûâàþò
òåïëîâûìè íàñîñàìè. Ðàçóìååòñÿ, òåïëîâûå íàñîñû ìîãóò çàêà÷èâàòü âíóòðü ïîìåùåíèÿ òåïëî íå òîëüêî àòìîñôåðû, íî è ãðóíòà
è íàõîäÿùèõñÿ ðÿäîì âîäîåìîâ.
Òåïëîâûå íàñîñû – õîëîäèëüíèêè íàîáîðîò! Íàâåðíîå,
ïî÷òè âñå çàìå÷àëè ñ çàäíåé ñòîðîíû íàøèõ äîìàøíèõ õîëîäèëüíèêîâ ÿâíî òåïëóþ, à èíîãäà äàæå ãîðÿ÷óþ ðåøåòêó ðàäèàòîðà.
 ïðèíöèïå, íàø õîëîäèëüíèê ìîæíî íàçâàòü òåïëîâûì íàñîñîì, âûêà÷èâàþùèì òåïëî èç õîëîäèëüíîé êàìåðû â êîìíàòó
èëè êóõíþ. È âîîáùå, òåïëîâûå íàñîñû – ýòî õîëîäèëüíèêè,
101
îòêà÷èâàþùèå òåïëî, íàïðèìåð èç íåçàìåðçàþùèõ ãëóáèí çåìëè. Èçâåñòíî, ÷òî íà ãëóáèíå 4–5 ì è áîëåå òåìïåðàòóðà ãðóíòà
â òå÷åíèå ãîäà ïðàêòè÷åñêè ïîñòîÿííà è ñîîòâåòñòâóåò ñðåäíåãîäîâîé òåìïåðàòóðå àòìîñôåðíîãî âîçäóõà.  êëèìàòè÷åñêèõ óñëîâèÿõ ñðåäíåé ïîëîñû Ðîññèè ýòà òåìïåðàòóðà ñîñòàâëÿåò
5–8 °Ñ.
Ïåðâûé òåïëîâîé íàñîñ, íàçâàííûé óìíîæèòåëåì òåïëà, áûë
ïðåäëîæåí Óèëüÿìîì Òîìñîíîì (ëîðä Êåëüâèí) â 1852 ãîäó è
ïðåäñòàâëÿë ñîáîé õîëîäèëüíèê, èñïîëüçóåìûé äëÿ îòîïëåíèÿ.
Òîìñîí ñ÷èòàë, ÷òî îãðàíè÷åííîñòü ýíåðãîðåñóðñîâ íå ïîçâîëèò
â áóäóùåì ñæèãàòü òîïëèâî â îòîïèòåëüíûõ ïå÷àõ, à åãî óìíîæèòåëü òåïëà áóäåò ïîòðåáëÿòü òîïëèâà ìåíüøå. Òåïëîâîé íàñîñ
Òîìñîíà â êà÷åñòâå ðàáî÷åãî òåëà èñïîëüçîâàë âîçäóõ. Âîçäóõ
çàñàñûâàëñÿ èç ïîìåùåíèÿ â öèëèíäð, ðàñøèðÿëñÿ è ïðè ýòîì
îõëàæäàëñÿ, à çàòåì ïðîõîäèë òåïëîîáìåííèê, ãäå íàãðåâàëñÿ
íàðóæíûì âîçäóõîì. Ïîñëå ñæàòèÿ äî àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ
âîçäóõ èç öèëèíäðà ïîñòóïàë â îáîãðåâàåìîå ïîìåùåíèå íàãðåòûì äî òåìïåðàòóðû âûøå ïåðâîíà÷àëüíîé.
Ñîâðåìåííûå òåïëîâûå íàñîñû ðàáîòàþò ïî ñëåäóþùåé ñõåìå
(ðèñ.71). Â èñïàðèòåëå òåïëîâîãî íàñîñà (òåïëîîáìåííèêå, íàõîäÿùåìñÿ íà óëèöå) òåïëî çåìëè, âîäîåìîâ èëè îêðóæàþùåãî
Ðèñ. 71. Ñõåìà ðàáîòû
òåïëîâîãî íàñîñà, âûêà÷èâàþùåãî òåïëî èç íàðóæíîãî âîçäóõà: 1 – èñïàðèòåëü, 2 – êîìïðåññîð, 3 –
êîíäåíñàòîð, 4 – êëàïàí
(ñóæåíèå), ðàçäåëÿþùèé
çîíó âûñîêîãî (ñïðàâà) è
íèçêîãî (ñëåâà) äàâëåíèé,
÷åðåç êîòîðûé æèäêèé
õëàäàãåíò ìåäëåííî ïåðåòåêàåò, ïîïàäàÿ â íàðóæíûé òåïëîîáìåííèê
âîçäóõà èñïîëüçóåòñÿ äëÿ èñïàðåíèÿ õëàäàãåíòà (æèäêîñòè,
êèïÿùåé ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå). Ïîëó÷åííûé ïàð ñæèìàåòñÿ
êîìïðåññîðîì, è òåìïåðàòóðà ïàðà ïîâûøàåòñÿ. Çàòåì â êîíäåíñàòîðå (òåïëîîáìåííèêå âíóòðè ïîìåùåíèÿ) ïàð îñòûâàåò, è åãî
òåïëî ïåðåäàåòñÿ â ñèñòåìó îòîïëåíèÿ è ãîðÿ÷åãî âîäîñíàáæåíèÿ. Ïðè ýòîì êîëè÷åñòâî òåïëîòû, ïîñòàâëÿåìîå ïîòðåáèòåëþ,
ìîæåò â íåñêîëüêî ðàç ïðåâûøàòü çàòðàòû ýíåðãèè íà ïðèâîä
êîìïðåññîðà.
102
Êîýôôèöèåíò ïðåîáðàçîâàíèÿ õîëîäèëüíèêîâ è òåïëîâûõ
íàñîñîâ. Îòíîøåíèå ïîëåçíîãî êîëè÷åñòâà òåïëîòû ê ðàáîòå,
çàòðà÷èâàåìîé íà ïðèâîä êîìïðåññîðà, íàçûâàþò êîýôôèöèåíòîì ïðåîáðàçîâàíèÿ òåïëîâîãî íàñîñà, â íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ òåïëîíàñîñíûõ ñèñòåìàõ îí äîñòèãàåò 3 è áîëåå. Ïîïðîáóåì ïîíÿòü, ïî÷åìó ïîëüçîâàòüñÿ òåïëîâûì íàñîñîì ãîðàçäî
âûãîäíåå, ÷åì äàæå èäåàëüíûì ýëåêòðîîáîãðåâàòåëåì, êîýôôèöèåíò ïðåîáðàçîâàíèÿ êîòîðîãî ðàâåí 1.
Õîëîäèëüíèê è òåïëîâîé íàñîñ – ýòî äâèãàòåëè, ðàáîòàþùèå
«íàîáîðîò» ïî îòíîøåíèþ ê òåïëîâîé ìàøèíå, òàê êàê â íèõ ìû
ñîâåðøàåì ðàáîòó, ÷òîáû îõëàäèòü áîëåå õîëîäíîå òåëî è íàãðåòü áîëåå òåïëîå. Èçâåñòíî, ÷òî ÊÏÄ èäåàëüíîãî òåïëîâîãî
äâèãàòåëÿ (ìàøèíû Êàðíî), ïðåîáðàçóþùåãî òåïëî â ðàáîòó,
ðàâåí
A
Ò - Òõ
ÊÏÄ =
= í
< 1,
Q+A
Òí
ãäå Q – çàòðà÷åííîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû, À – ðàáîòà, Tí è Tx –
òåìïåðàòóðû íàãðåâàòåëÿ è õîëîäèëüíèêà ñîîòâåòñòâåííî. Ýòî
çíà÷èò, ÷òî åñëè ìû çàõîòèì íàãðåâàòü äîì ñ ïîìîùüþ èäåàëüíîãî òåïëîâîãî íàñîñà, åãî êîýôôèöèåíò ïðåîáðàçîâàíèÿ ÊÎÏ
áóäåò ðàâåí
Q+A
Òí
? 1.
=
ÊÎÏ =
A
Òí - Òõ
Òàêèì îáðàçîì, íàãðåâàòü êîìíàòó òåïëîâûì íàñîñîì ãîðàçäî
âûãîäíåå, ÷åì ýëåêòðè÷åñêèì êàìèíîì, òàê êàê èç çåìëè èëè èç
õîëîäíîãî âîçäóõà íàì óäàñòñÿ âûêà÷àòü â íåñêîëüêî ðàç áîëüøåå êîëè÷åñòâî òåïëîòû.
Ñåãîäíÿ òîïëèâíûå íàñîñû âûïóñêàþòñÿ òåïëîâîé ìîùíîñòüþ îò 2 êÂò äî 200 ÌÂò. Êàê ïîêàçàëè îöåíêè, ïðèìåíåíèå
òàêèõ íàñîñîâ ïîçâîëèò ñîêðàòèòü ïîòðåáëåíèå òîïëèâà (ãàç,
ìàçóò, óãîëü è ò.ä.) ïðèáëèçèòåëüíî íà 40%, ÷òî ñîîòâåòñòâåííî
ñíèçèò çàãðÿçíåíèå îêðóæàþùåé ñðåäû. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ
îáùèé åæåãîäíûé îáúåì ïðîäàæ âûïóñêàåìûõ çà ðóáåæîì
òîïëèâíûõ íàñîñîâ ñîñòàâëÿåò áîëåå 100 ìëðä äîëëàðîâ ÑØÀ,
÷òî ïðåâûøàåò, íàïðèìåð, ìèðîâîé îáúåì ïðîäàæ âîîðóæåíèé â
íåñêîëüêî ðàç. Øâåöèÿ, ñêàæåì, óæå ñåãîäíÿ 70% òåïëà ïîëó÷àåò ñ ïîìîùüþ òîïëèâíûõ íàñîñîâ, à ïî ïðîãíîçó Ìèðîâîãî
ýíåðãåòè÷åñêîãî êîìèòåòà ê 2020 ãîäó èñïîëüçîâàíèå òåïëîâûõ
íàñîñîâ âî âñåì ìèðå äëÿ îòîïëåíèÿ è ãîðÿ÷åãî âîäîñíàáæåíèÿ
ïðèáëèçèòñÿ ê 75%.
Ìîæíî ëè çèìîé èñïîëüçîâàòü òåïëî ïðîøåäøåãî ëåòà?
Îêàçûâàåòñÿ, ìîæíî! Â Àâñòðèè, Ãîëëàíäèè è Âåëèêîáðèòàíèè
103
òåïëî ïðîøåäøåãî ëåòà èñïîëüçóþò çèìîé äëÿ ïîäîãðåâà äîðîæíîãî ïîêðûòèÿ, ÷òîáû èçáåæàòü åãî îáëåäåíåíèÿ. Äëÿ ýòîãî ïîä
àñôàëüò íà ãëóáèíó 12 ñì çàêàïûâàþò ïîëèýòèëåíîâûå òðóáêè
äèàìåòðîì 25 ìì, ðàñïîëàãàÿ èõ íà ðàññòîÿíèè 15 ñì äðóã îò
äðóãà. Ñðåäíÿÿ òåìïåðàòóðà ãðóíòà íà ýòîé ãëóáèíå ðàâíà
12 °Ñ, íî ëåòîì îíà ïîäíèìàåòñÿ äî 25 °Ñ.  òå÷åíèå âñåãî ëåòà
òåïëóþ âîäó èç òðóá ñëèâàþò â òåïëîèçîëèðîâàííûå åìêîñòè,
çàêîïàííûå ðÿäîì ñ äîðîãîé. Çèìîé, êàê òîëüêî òåìïåðàòóðà
äîðîæíîãî ïîêðûòèÿ óïàäåò íèæå 2 °Ñ, ïî òðóáàì íà÷èíàþò
ïðîïóñêàòü âîäó, íàãðåòóþ ïðîøëûì ëåòîì, ïðåäîòâðàùàÿ îáðàçîâàíèå ãîëîëåäà.
Ïî÷åìó ìû íîñèì ñâèòåð, à íà êîæå ïîÿâëÿþòñÿ ìóðàøêè?
Âîçäóõ ÿâëÿåòñÿ õîðîøèì òåïëîèçîëÿòîðîì è ïîìîãàåò íàì
ñîõðàíÿòü òåïëî, íî òîëüêî åñëè îí íåïîäâèæåí. Äâèãàÿñü
îòíîñèòåëüíî òåëà, îí îòáèðàåò ó íåãî òåïëî. Òîëùèíà ñëîÿ
íåïîäâèæíîãî âîçäóõà óìåíüøàåòñÿ ïðè ñðåäíåì âåòðå îò 2–4 ìì
äî 1 ìì, à ñâèòåð óâåëè÷èâàåò åå äî 10 ìì. Ïðè ïîÿâëåíèè
ìóðàøåê âîëîñû «âñòàþò», ÷òî òàêæå óòîëùàåò ñëîé íåïîäâèæíîãî âîçäóõà. Êîíå÷íî, äàëåêî íå ó âñåõ ïðè ïîÿâëåíèè ìóðàøåê
âîçíèêàåò íà òåëå «ñâèòåð» èç ñîáñòâåííûõ âîëîñ, íî ìû äî ñèõ
ïîð íå ìîæåì èçáàâèòüñÿ îò ýòîãî âðîæäåííîãî ðåôëåêñà íàøèõ
äàëåêèõ è âîëîñàòûõ ïðåäêîâ.
Ïî÷åìó ìû äðîæèì îò õîëîäà? Ñîêðàùåíèÿ ìûøö íå òîëüêî
äàþò íàì âîçìîæíîñòü äâèãàòüñÿ, íî è ñíàáæàþò íàñ òåïëîì.
Ìûøöû íå ÿâëÿþòñÿ èäåàëüíûìè ïðóæèíàìè, êîòîðûå, ñæèìàÿñü, õðàíÿò â ñåáå âñþ ýíåðãèþ äåôîðìàöèè, à ïðè ðàññëàáëåíèè
ñîâåðøàþò ðàáîòó. Äåôîðìàöèÿ ìûøö íåóïðóãàÿ, è ïîýòîìó
îíè, ñîêðàùàÿñü è ñîâåðøàÿ ðàáîòó, îäíîâðåìåííî ñëóæàò
èñòî÷íèêîì òåïëà. Âûïîëíÿÿ ñðåäíþþ ôèçè÷åñêóþ ðàáîòó, ìû
ðàçîãðåâàåìñÿ, à ìûøöû, ñîñòàâëÿþùèå îêîëî 50% ìàññû íàøåãî òåëà, ÿâëÿþòñÿ ïðè ýòîì èñòî÷íèêîì ïî÷òè 75% âñåãî ïîëó÷àåìîãî òåïëà. Îñòàëüíûå 25% – ýòî òåïëî, âûäåëÿþùååñÿ ïðè
ðàçëè÷íûõ áèîõèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ. Êîãäà ìû äðîæèì îò
õîëîäà, íàøè ìûøöû áåñïîðÿäî÷íî ñîêðàùàþòñÿ, è ýòî õîòÿ è
ìåøàåò êîîðäèíàöèè äâèæåíèé, íî ïîçâîëÿåò íàì ñîãðåòüñÿ.
Êàê ñîõðàíÿåò òåïëî òþëåíü, ïëàâàÿ â Ëåäîâèòîì îêåàíå? Ìîðæè è òþëåíè ïëàâàþò â õîëîäíîé âîäå, òåìïåðàòóðà
êîòîðîé îêîëî 0 °Ñ. Ïîýòîìó îñíîâíàÿ ïðîáëåìà, ñ êîòîðîé
îíè ñòàëêèâàþòñÿ, ýòî êàê ñîõðàíèòü òåïëî. Äëÿ ýòîãî âñå òåëî
ó íèõ ïîêðûòî òîëñòûì ñëîåì ïîäêîæíîãî æèðà, êîòîðûé
ñëóæèò õîðîøèì òåïëîèçîëÿòîðîì. Îäíàêî íà ëàñòàõ è õâîñòå
(÷òîáû îíè áûëè ëåãêèìè è ïîäâèæíûìè) æèðà íåò, è èõ
òåìïåðàòóðà ïàäàåò äî 1–2 °Ñ. Ïîýòîìó ÷åðåç ýòè íåïîêðûòûå
104
æèðîì êîíå÷íîñòè òåïëî äîëæíî óõîäèòü â îêðóæàþùóþ ëåäÿíóþ âîäó, êàê ÷åðåç îòêðûòóþ ôîðòî÷êó. Ïî÷åìó æå òþëåíè
íå çàìåðçàþò?
Êðîâü ñíàáæàåò êîæíûå ïîêðîâû òþëåíÿ êèñëîðîäîì è,
äîñòàâèâ åãî òóäà, âîçâðàùàåòñÿ îáðàòíî ê ñåðäöó. Íî âìåñòå ñ
êèñëîðîäîì êðîâü âûíîñèò íà ïîâåðõíîñòü òþëåíÿ è òåïëî – âåäü
ãëóáîêî âíóòðè òåëà âñåãäà 37 °Ñ. Ïîýòîìó êðîâîîáðàùåíèå
ñëóæèò îäíîé èç îñíîâíûõ ïðè÷èí òåïëîïîòåðü. Îäíàêî ìóäðàÿ
Ïðèðîäà òàê óñòðîèëà ñèñòåìó êðîâîñíàáæåíèÿ êîíå÷íîñòåé ó
òþëåíåé, ÷òîáû ýòè ïîòåðè áûëè ìèíèìàëüíûìè. Êàê èìåííî?
Ïðîòèâîòî÷íàÿ ñèñòåìà: ýêîíîìèÿ òåïëà. Îïóñòèì â ñíåã
òðóáêó, èçîãíóòóþ â âèäå áóêâû U, è áóäåì ïðîïóñêàòü ÷åðåç íåå
ãîðÿ÷óþ âîäó (ðèñ.72, ñëåâà). Î÷åâèäíî, ÷òî, ïðîòåêàÿ ÷åðåç
òðóáêó, âîäà áóäåò ïîñòåïåííî îñòûâàòü, îòäàâàÿ ñâîå òåïëî
õîëîäíîìó ñíåãó, è ïîýòîìó
òåìïåðàòóðà âîäû, âûõîäÿùåé
èç òðóáêè, áóäåò âñåãäà ìåíüøå ïåðâîíà÷àëüíîé.
Ïîïðîáóåì òåïåðü ñáëèçèòü ïîëîâèíêè òðóáîê òàê,
÷òîáû îíè êàñàëèñü äðóã äðóãà, à ïîòîêè âîäû, äâèæóùèåñÿ â ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ, ìîãëè îáìåíèâàòüñÿ òåïëîì. Ïðè òàêîé ïðîòèâîòî÷íîé ñèñòåìå äâèæåíèÿ
æèäêîñòè âîäà áóäåò îñòû- Ðèñ. 72. Îáû÷íàÿ ñèñòåìà öèðêóëÿöèè âîäû ÷åðåç ñíåã (ñëåâà) è åå
âàòü òîëüêî â ëåâîé ïîëîâèí- ïðîòèâîòî÷íûé àíàëîã, óìåíüøàþêå òðóáêè (ñì. ðèñ.72, ñïðà- ùèé òåïëîïîòåðè (ñïðàâà)
âà), äâèãàÿñü âãëóáü ñíåãîâîãî ñëîÿ. Êîãäà âîäà, ñäåëàâ ðàçâîðîò, íàïðàâèòñÿ îáðàòíî, ê íåé
íà÷íåò ïîñòóïàòü òåïëî îò áîëåå íàãðåòîé âîäû, òåêóùåé ðÿäîì
â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè, è òåìïåðàòóðà âûõîäÿùåé èç
õîëîäà âîäû íà÷íåò ïîñòåïåííî óâåëè÷èâàòüñÿ. Òàêèì îáðàçîì,
ïðîòèâîòî÷íîå äâèæåíèå ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî óìåíüøèòü òåïëîâûå ïîòåðè, òàê êàê ÷àñòü òåïëà îòäàåòñÿ õîëîäíîé æèäêîñòè,
âîçâðàùàþùåéñÿ èç ñíåãà.
Ó òþëåíåé è ìîðæåé êðîâîñíàáæåíèå â êîíå÷íîñòÿõ ïðîòèâîòî÷íîå, ÷òî ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü ïîòåðè òåïëà, òàê êàê ÷àñòü
òåïëà àðòåðèàëüíîé êðîâè, òåêóùåé îò ñåðäöà ê ïåðèôåðèè,
îòäàåòñÿ áîëåå õîëîäíîé âåíîçíîé êðîâè, âîçâðàùàþùåéñÿ èç
îòäàëåííîé ÷àñòè ëàñòû èëè õâîñòà. ×òîáû òåïëîïåðåäà÷à ìåæäó
àðòåðèÿìè è âåíàìè áûëà áîëåå ýôôåêòèâíîé, âåíû ïðîñòî
105
îïëåòàþò àðòåðèè, íåñóùèå òåïëóþ êðîâü ê
êîíå÷íîñòÿì òþëåíÿ (ðèñ.73).
Ïî÷åìó õîìÿê âñå âðåìÿ åñò? Êàæäîãî, êòî êîãäà-íèáóäü äåðæàë ó ñåáÿ äîìà
õîìÿêà èëè âèäåë åãî ó çíàêîìûõ, ïîðàæàëà åãî ïðîæîðëèâîñòü, î êîòîðîé òàê
ìíîãî ñêàçàíî â íàøèõ ñêàçêàõ è ïîãîâîðêàõ. Çà äåíü õîìÿê, äà è ëþáîé ìåëêèé
ãðûçóí, ìîæåò ñúåñòü ñòîëüêî, ñêîëüêî ñàì
âåñèò. Â òî æå âðåìÿ ìàññà åæåäíåâíîãî
ðàöèîíà ñëîíà ñîñòàâëÿåò ìåíåå 1/10 åãî
ìàññû, õîòÿ ïî êàëîðèéíîñòè ïèùà ñëîíà
ïî÷òè íå îòëè÷àåòñÿ îò ïèùè ãðûçóíà, òàê
Ðèñ. 73. Ïðîòèâîêàê îáà ïèòàþòñÿ èñêëþ÷èòåëüíî ðàñòåíèòî÷íàÿ ñèñòåìà
ÿìè. Îò ÷åãî æå çàâèñèò êîëè÷åñòâî ïèùè,
êðîâîñíàáæåíèÿ êîíå÷íîñòåé òþëåíÿ: íåîáõîäèìîå æèâîòíîìó äëÿ íîðìàëüíîé
1 – àðòåðèÿ, íåñó- æèçíåäåÿòåëüíîñòè?
Èçâåñòíî, ÷òî îïðåäåëåííàÿ òåìïåðàòóùàÿ òåïëóþ êðîâü ê
õîëîäíîìó êðàþ ëà- ðà òåëà ó òåïëîêðîâíûõ æèâîòíûõ ïîääåðñòû, 2 – âåíû ñ êðî- æèâàåòñÿ çà ñ÷åò âûäåëåíèÿ òåïëà ïðè ïîâüþ, òåêóùåé îò ñòîÿííî ïðîòåêàþùèõ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèõîëîäíîãî êðàÿ ëàñ- ÿõ – ïðîöåññàõ ìåòàáîëèçìà. Ïîäñ÷èòàíî,
òû
÷òî ïîòðåáëåíèå îðãàíèçìîì 1 ñì 3 êèñëîðîäà ñîïðîâîæäàåòñÿ âûäåëåíèåì 20 Äæ òåïëà. Ïðè ýòîì îñâîáîäèâøååñÿ êîëè÷åñòâî òåïëîòû íå çàâèñèò îò
âèäà ïèùè.
Ïóñòü æèâîòíîå èìååò ôîðìó øàðà ðàäèóñîì R, à åäèíèöà
ìàññû æèâîòíîãî íóæäàåòñÿ êàæäóþ ñåêóíäó â q ñì 3 êèñëîðîäà.
Òîãäà êîëè÷åñòâî òåïëîòû Q1 , îñâîáîæäàþùååñÿ êàæäóþ ñåêóíäó â îðãàíèçìå, ñîñòàâèò
Q1 =
4
SR3U × q × 20 Äæ ,
3
ãäå U – ïëîòíîñòü òåëà æèâîòíîãî. Òàê êàê òåìïåðàòóðà òåëà
îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé, êîëè÷åñòâî òåïëîòû, îáðàçóþùååñÿ â îðãàíèçìå çà ñ÷åò ìåòàáîëè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, äîëæíî ðàâíÿòüñÿ
êîëè÷åñòâó òåïëîòû, ïåðåøåäøåìó îò æèâîòíîãî â îêðóæàþùóþ
ñðåäó. Èçâåñòíî, ÷òî êîëè÷åñòâî òåïëîòû Q2 , ïåðåõîäÿùåå â
åäèíèöó âðåìåíè îò áîëåå íàãðåòîãî òåëà ê ìåíåå íàãðåòîìó ïðè
èõ ñîïðèêîñíîâåíèè, ïðîïîðöèîíàëüíî ïëîùàäè ñîïðèêîñíîâåíèÿ S, ðàçíîñòè èõ òåìïåðàòóð 'T , òåïëîïðîâîäíîñòè ñðåäû
ìåæäó íèìè O è îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî òîëùèíå ñëîÿ ýòîé
106
ñðåäû 'x . Òàê êàê ó íàøåãî øàðîîáðàçíîãî «æèâîòíîãî»
S = 4SR2 , òî
Q2 = O × 4SR2
'T
.
'x
Ïðèðàâíèâàÿ êîëè÷åñòâî òåïëîòû, îñâîáîæäàþùååñÿ â îðãàíèçìå ïðè ìåòàáîëè÷åñêèõ ïðîöåññàõ, è êîëè÷åñòâî òåïëîòû, òåðÿåìîå òåëîì ÷åðåç åãî ïîâåðõíîñòü, ïîëó÷àåì
q=
k
3O 'T
, ãäå k =
.
20U 'x
R
Ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ïðè èçìåíåíèè ðàçìåðîâ íàøåãî øàðîîáðàçíîãî «æèâîòíîãî» âåëè÷èíà k îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé, è, çíà÷èò,
ïîòðåáíîñòè åäèíèöû ìàññû â êèñëîðîäå (q) ðàñòóò ñ óìåíüøåíèåì ðàçìåðîâ æèâîòíîãî. Òàê êàê ìàññà øàðà ðàâíà
M = 4 3 SR3U , òî q ìîæíî
âûðàçèòü è ÷åðåç Ì:
k
k
: M -1 3 ,
=
q=
13
R
æ M ö
çè 4SU 3 ÷ø
îòêóäà ñëåäóåò, ÷òî åäèíèöå
ìàññû õîìÿêà òðåáóåòñÿ êèñëîðîäà ãîðàçäî áîëüøå, ÷åì
òàêîé æå åäèíèöå ìàññû ñëîíà. À òàê êàê âåñü êèñëîðîä
ðàñõîäóåòñÿ æèâîòíûì íà
îêèñëåíèå ïèòàòåëüíûõ âåùåñòâ, òî è êîëè÷åñòâî ïèùè
â ðàñ÷åòå íà åäèíèöó ìàññû
òåëà äëÿ õîìÿêà äîëæíî áûòü
ãîðàçäî áîëüøå ñîîòâåòñòâóþùåé âåëè÷èíû äëÿ ñëîíà.
Êîíå÷íî, ñäåëàííîå äîïóùåíèå î øàðîîáðàçíîñòè æèâîòíûõ íåñïðàâåäëèâîå, íî
î÷åâèäíî, ÷òî ïîëó÷åííàÿ
ôîðìóëà äëÿ q ãîäèòñÿ è äëÿ
âñåõ ïîäîáíûõ æèâîòíûõ
(ðèñ.74). Íó à äëÿ ðåàëüíûõ
æèâîòíûõ è ÷åëîâåêà, êàê
Ðèñ. 74. Ñõåìàòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå äâóõ ïîäîáíûõ æèâîòíûõ;
ñòîëáèêîì óêàçàíî ñîîòâåòñòâóþùåå êîëè÷åñòâî òåïëîòû, âûäåëÿåìîå êàæäûì êèëîãðàììîì æèâîòíîãî äëÿ ïîääåðæàíèÿ ïîñòîÿííîé
òåìïåðàòóðû
107
ïîêàçàëè èçìåðåíèÿ, q = 70 M -1 3 êêàë äåíü × êã , ÷òî, íàïðèìåð, äëÿ ÷åëîâåêà ìàññîé 60 êã ñîîòâåòñòâóåò ïðèáëèçèòåëüíî
1500 êêàë â äåíü. Òàêèì îáðàçîì, òîëüêî äëÿ ïîääåðæàíèÿ
ïîñòîÿííîé òåìïåðàòóðû ìû äîëæíû òðàòèòü íà îáîãðåâ
1500 êêàë â äåíü. Äðóãèìè ñëîâàìè, ÷åëîâåê – ýòî ëàìïî÷êà
ìîùíîñòüþ îêîëî 75 Âò, òàê êàê â òåëå ÷åëîâåêå, äàæå êîãäà
îí ñïèò, ïðîòåêàþò õèìè÷åñêèå ðåàêöèè ñ âûäåëåíèåì òåïëà.
Ïî÷åìó ÷åëîâåêó íóæåí èñêóññòâåííûé õîëîä, è êàê åãî
äîáûòü? Èñêóññòâåííûé õîëîä ÷àñòî íåîáõîäèì, ÷òîáû çàùèòèòü íàø îðãàíèçì îò ïåðåãðåâà. Êðîìå òîãî, õîëîä íåîáõîäèì
ïðîäóêòàì, êîòîðûå ìû ñåãîäíÿ íå ñîáèðàåìñÿ åñòü. Èìåþòñÿ, ïî
êðàéíåé ìåðå, äâà ñïîñîáà îõëàäèòü ñåáÿ: 1) âûëèòü ñåáå íà ðóêó
îäåêîëîí èëè ñïèðò, êîòîðûå, èñïàðÿÿñü, îòíèìóò òåïëî ó ðóêè,
à çíà÷èò, îõëàäÿò åå; 2) îòêðûòü áàëëîí÷èê ñî ñæàòûì ãàçîì è
íàïðàâèòü åãî ñòðóþ íà ðóêó, êîòîðûé, ðàñøèðÿÿñü, îõëàäèòñÿ,
è ìû ïî÷óâñòâóåì ðóêîé óìåíüøåíèå åãî òåìïåðàòóðû. Îáà ýòè
ñïîñîáà áûëè èñïîëüçîâàíû â ðàáîòå äîìàøíèõ õîëîäèëüíèêîâ,
ìàññîâîå ïðîèçâîäñòâî êîòîðûõ íà÷àëîñü ñ ñåðåäèíû 1920-õ
ãîäîâ.
Êàê ðàáîòàåò îáû÷íûé (êîìïðåññèîííûé) õîëîäèëüíèê?
Êîìïðåññèîííûé õîëîäèëüíèê (ðèñ.75) ñîñòîèò èç: íàñîñà (êîìïðåññîðà), êîòîðûé ñîçäàåò îáëàñòü âûñîêîãî äàâëåíèÿ â òðóáî÷êàõ òåïëîîáìåííèêà ñíàðóæè õîëîäèëüíîé êàìåðû è îáëàñòü
Ðèñ.75. Ñõåìà êîìïðåññèîííîãî õîëîäèëüíèêà
íèçêîãî äàâëåíèÿ â òðóáî÷êàõ òåïëîîáìåííèêà âíóòðè õîëîäèëüíîé êàìåðû; êëàïàíà (ñóæåíèÿ), ðàçäåëÿþùåãî ýòè äâå ñåêöèè
òåïëîîáìåííèêà; õëàäàãåíòà ñ òåìïåðàòóðîé êèïåíèÿ îêîëî
–30 °Ñ, ïåðåõîäÿùåãî èç îäíîé ñåêöèè òåïëîîáìåííèêà â äðóãóþ, à òàêæå èç ãàçîîáðàçíîãî ñîñòîÿíèÿ â æèäêîå è îáðàòíî.
108
Êàæäûå 15 ìèíóò â õîëîäèëüíèêå ÷òî-òî ùåëêàåò, è ðàçäàåòñÿ
øóì ðàáîòàþùåãî äâèãàòåëÿ. Ýòî íàñîñ êîìïðåññîðà íà÷àë
î÷åðåäíîé öèêë ðàáîòû:
ñæèìàåòñÿ ãàç, íàõîäÿùèéñÿ âî âíåøíåì òåïëîîáìåííèêå, è
åãî äàâëåíèå è òåìïåðàòóðà óâåëè÷èâàþòñÿ;
äâèãàÿñü ïî âíåøíåìó òåïëîîáìåííèêó, ãàç îñòûâàåò, íàãðåâàÿ âîçäóõ â êîìíàòå;
íàêîíåö, òåìïåðàòóðà ãàçà ïàäàåò íàñòîëüêî, ÷òî ÷àñòü ãàçà
êîíäåíñèðóåòñÿ â æèäêîñòü;
âûñîêîå äàâëåíèå ïåðåä êëàïàíîì âûáðûçãèâàåò êàïåëüêè
æèäêîãî õëàäàãåíòà â ñåêöèþ òåïëîîáìåííèêà, íàõîäÿùóþñÿ
ïîä íèçêèì äàâëåíèåì, ãäå õëàäàãåíò íà÷èíàåò êèïåòü, èñïàðÿÿñü è ïîíèæàÿ òåìïåðàòóðó õîëîäèëüíîé êàìåðû.
Õîëîäèëüíèê Ýéíøòåéíà. Â êîìïðåññèîííîì õîëîäèëüíèêå
âñåãäà åñòü ýëåêòðîäâèãàòåëü, äâèæóùèåñÿ ÷àñòè êîòîðîãî ÿâëÿþòñÿ èñòî÷íèêîì øóìà è çíà÷èòåëüíî óìåíüøàþò íàäåæíîñòü
åãî ðàáîòû. Èíòåðåñíî, ÷òî ó èñòîêîâ ñîçäàíèÿ õîëîäèëüíèêîâ,
íå ñîäåðæàùèõ ïîäâèæíûõ ÷àñòåé, ñòîÿëè äâà èçâåñòíûõ ôèçèêà – Àëüáåðò Ýéíøòåéí è Ëåî Ñöèëàðä.  20-õ ãîäàõ ïðîøëîãî
âåêà îíè ïðåäëîæèëè ñðàçó íåñêîëüêî òèïîâ òàêèõ õîëîäèëüíèêîâ (îäèí èç íèõ èçîáðàæåí íà ðèñóíêå 76). Ïðèäóìàòü íîâûé
òèï äîìàøíåãî õîëîäèëüíèêà Ýéíøòåéíà ïîáóäèëà ñòàòüÿ â
ãàçåòå, ãäå ðàññêàçûâàëîñü, êàê áîëüøàÿ ñåìüÿ óìåðëà îò îòðàâëåíèÿ àììèàêîì, êîòîðûé âûòåê èç íåèñïðàâíîãî êîìïðåññèîííîãî õîëîäèëüíèêà. Äâà èõ ïàòåíòà áûëè êóïëåíû ôèðìîé
«Ýëåêòðîëþêñ», êîòîðàÿ äî ñèõ ïîð ïðîèçâîäèò õîëîäèëüíèêè.
Ðèñ. 76. Ñõåìà îäíîãî èç õîëîäèëüíèêîâ, ïðåäëîæåííûõ À. Ýéíøòåéíîì è Ë. Ñöèëàðäîì. Ñ ïîìîùüþ
âîäîñòðóéíîãî íàñîñà â êîëáå 1 ñîçäàåòñÿ äàâëåíèå ìåíüøå àòìîñôåðíîãî.  ðåçóëüòàòå æèäêèé ìåòàíîë èç 3 ïîäíèìàåòñÿ ïî òðóáêå 4 è èñïàðÿåòñÿ, ïîíèæàÿ òåìïåðàòóðó âîçäóõà â 2, âñëåäñòâèå ÷åãî
îõëàæäàåòñÿ êîíòåéíåð 5, ãäå ìîæåò, íàïðèìåð, íàõîäèòüñÿ ìîðîæåíîå. Äàëüøå ìåòàíîë âìåñòå ñ âîäîé ñìûâàåòñÿ â âîäîïðîâîä ñ ïîìîùüþ âòîðîãî âîäîñòðóéíîãî íàñîñà 6
109
Ê ñîæàëåíèþ, ïðèõîä ê âëàñòè ôàøèñòîâ, à ïîòîì âòîðàÿ ìèðîâàÿ âîéíà ïîìåøàëè
âîïëîùåíèþ ýòèõ ïðîåêòîâ,
òàê êàê Ýéíøòåéí ýìèãðèðîâàë â ÑØÀ, à Ñöèëàðä – â
Àíãëèþ.
Ñàìûé ïðèìèòèâíûé õîëîäèëüíèê. Îäíèì èç ñàìûõ
ïðîñòûõ è íàäåæíûõ õîëîäèëüíèêîâ, êîòîðûé äî ñèõ
ïîð èñïîëüçóåòñÿ êîðåííûì
íàñåëåíèåì àôðèêàíñêèõ ïóñòûíü, ÿâëÿåòñÿ ïàðà âëîæåííûõ äðóã â äðóãà ãëèíÿíûõ
ãîðøêîâ (ðèñ.77). Ïðîñòðàíñòâî ìåæäó ãîðøêàìè çàïîëÐèñ. 77. Ïðèìèòèâíûé õîëîäèëüíèê,
ñîñòîÿùèé èç äâóõ ãëèíÿíûõ ãîðø- íÿåòñÿ ìîêðûì ïåñêîì, à âëàêîâ ñ âëàæíûì ïåñêîì ìåæäó íèìè ãà, ìåäëåííî èñïàðÿÿñü, îõëàæäàåò âíóòðåííèé ãîðøîê,
çàïîëíåííûé, íàïðèìåð, îâîùàìè. Èñïîëüçîâàíèå òàêîãî õîëîäèëüíèêà ïîçâîëÿåò â íåñêîëüêî ðàç ïðîäëèòü ñðîê õðàíåíèÿ
îâîùåé.
Êðèîíèêà – äîðîãà ê áåññìåðòèþ. Êðèîíèêà, ò.å. íàóêà î
ñîõðàíåíèè áèîëîãè÷åñêèõ îáúåêòîâ ïóòåì èõ çàìîðîçêè, îòíîñèòåëüíî ìîëîäà, åé íåò åùå è 50 ëåò. Ó÷åíûå ñ÷èòàþò, ÷òî ïðè
íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ òåëî ïîäâåðæåíî ëèøü íåçíà÷èòåëüíûì
èçìåíåíèÿì è ïîýòîìó ìîæåò ñîõðàíÿòüñÿ íåîïðåäåëåííî äîëãîå
âðåìÿ. Òîãäà æå ïîÿâèëàñü è ôàíòàñòè÷åñêàÿ èäåÿ çàìîðàæèâàòü
òåëà íåèçëå÷èìî áîëüíûõ äî ñâåðõíèçêèõ òåìïåðàòóð, ÷òîáû
îæèâèòü èõ â áóäóùåì, êîãäà ìåäèöèíà îñâîèò áîëåå äåéñòâåííûå ìåòîäû ëå÷åíèÿ. Èäåÿ áûñòðî îâëàäåëà ìàññàìè. Ïðèÿòíî
ñîçíàâàòü, ÷òî ó òåáÿ åñòü íàäåæäà, òåì áîëåå ÷òî íàó÷íûå è
ïñåâäîíàó÷íûå ïóáëèêàöèè, ôàíòàñòè÷åñêèå ôèëüìû è êíèãè
ýòó íàäåæäó ïîñòîÿííî ïîäîãðåâàþò.
Âñå ïðîöåññû â îðãàíèçìå – ýòî ÷åðåäà îãðîìíîãî ÷èñëà
ñâÿçàííûõ ìåæäó ñîáîé õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Ïîíèæåíèå òåìïåðàòóðû çàìåäëÿåò ñêîðîñòü òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ìîëåêóë è
äèôôóçèþ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîíèæàåòñÿ è ñêîðîñòü âñåõ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Ïîýòîìó ïðè ïîíèæåíèè òåìïåðàòóðû òåëà íà
êàæäûå 10 °Ñ èíòåíñèâíîñòü ôèçèîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ïàäàåò
íàñòîëüêî, ÷òî ïîòðåáëåíèå êèñëîðîäà æèâîòíûìè óìåíüøàåòñÿ
â 2–3 ðàçà.
110