Существует еще одно зимнее явление, которое очень неприятно, — присутствие тумана в доме; и озадаченная хозяйка спрашивает: откуда проникает туман, когда все внешние двери и окна закрыты? Мы уже указывали, что огню в гостиной нужен воздух и что этот воздух будет забираться из случайных отверстий. Среди этих отверстий — дымоходы неиспользуемых каминов; большая часть тумана в доме спускается по этим дымоходам. В туманный день разумно закрыть дымоходы неиспользуемых каминов и обеспечить какое-то другое отверстие для подачи воздуха; но весь воздух снаружи полон тумана. Проблема того, как впустить воздух и не впустить туман, наводит на вопрос: что такое туман? Туман состоит из материальных частиц (пыли или дыма), на которых сконденсировался пар; если эти частицы можно удалить, воздух будет чистым. Проблема для хозяйки заключается в том, как освободить достаточное количество воздуха от этих частиц.
Запах газа в любой части дома может быть очень опасным, если никто в помещении не обладает какими-либо научными знаниями, ибо можно предположить, что утечка газа находится не там, где запах ощущается впервые. Газ, будучи легче воздуха, переносится вверх, и запах сначала находится выше места утечки; он может даже быть в комнате над тем местом, где газ выходит. Единственный безопасный детектор источника беды — это нос; смесь угольного газа и атмосферного воздуха взрывоопасна, и нельзя зажигать свет. Верхнюю створку окна следует опустить, чтобы позволить газу выйти, и если несчастный случай произошел в ночное время, необходимо подождать, прежде чем искать источник утечки дальше, чем это можно сделать, ощупывая краны в темноте или следуя за запахом носом.
Дальнейшая иллюстрация эффекта конвекционных токов в воздухе жилого дома излишня, но студент может с пользой потратить время и мысли на обдумывание того, как свежий воздух может быть введен в комнату, не вызывая лежания холодного воздуха на полу или прилипания горячего, испорченного воздуха к потолку. Это старая проблема (с разницей) обучения бабушки сосать яйцо. Он также может заинтересоваться поиском ответов на вопросы: (1) Какое действие ожидается, когда кочерга прислоняется к решетке камина, чтобы заставить огонь разгореться? и (2) Гасит ли солнце огонь, и если да, то как? В связи с расширением воздуха при нагревании он может рассмотреть популярное заблуждение, что перевернутый пустой горшок в пироге удерживает сок.
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВОДУ
В домах случались несчастные случаи из-за незнания полных эффектов нагревания или охлаждения воды от ее обычной температуры. Вода при любой обычной температуре расширяется при воздействии тепла; она сжимается при охлаждении, пока не достигнет температуры на семь градусов выше точки замерзания; от этой температуры она расширяется, пока не станет твердой массой льда. При еще более низких температурах лед сжимается.
Давайте сначала рассмотрим эффект нагревания воды. Если воду обычной температуры налить в сосуд, который помещен на огонь или другой источник тепла, вода на дне сосуда нагреется и расширится; поэтому она будет легче, объем к объему, чем вода ближе к верху сосуда. Холодная вода поэтому опустится, а теплая вода поднимется. Вся обычная вода содержит воздух; вскоре воздух в воде станет видимым в виде маленьких пузырьков, которые поднимаются на поверхность воды и бесшумно улетучиваются в атмосферу. По мере приложения большего тепла часть воды на дне сосуда превратится в пар, и пузырьки пара будут расширяться и подниматься в более холодную воду выше и схлопываться там с дребезжащим шумом, который характерен для состояния, известного как кипение. Эти пузырьки пара, поднимающиеся и лопающиеся, помогают конвекционным токам перемешивать и смешивать воду, так что она вскоре становится одинаковой температуры повсюду. Когда это происходит, пузырьки пара поднимаются на поверхность и лопаются со взрывом в атмосферу, разбрызгивая воду; вода тогда кипит. Важно помнить в кулинарии, что кипящая вода не станет горячее при приложении большего тепла, но она «выкипит»; то есть она будет полностью превращена в пар. Пар, образующийся из любого объема воды, занимает пространство в 1700 раз большее, чем вода, из которой он произведен, но что беспокоит хозяйку наиболее серьезно, так это то, что превращение воды в пар сопровождается выделением колоссальной механической силы, которая разорвет любой сосуд, в котором вода заключена. Именно факт этого колоссального проявления механической силы привел к серьезным несчастным случаям, когда грелки с горячей водой ставили в духовку, чтобы сохранить тепло. Некоторые люди предполагали, что если грелку с горячей водой не наполнять полностью, что если оставить то, что они считают достаточным местом для расширения воды, никакой вред не может произойти от помещения грелки в духовку, но никакое устройство не может сделать такой курс безопасным.
Разрыв кухонного бойлера — это несчастный случай, возникающий из-за пренебрежения явлениями нагретой воды. Иногда случается, что подача горячей воды к различным кранам в доме прекращается. Если бойлер, подающий воду, питается вручную, кто-то, чьей обязанностью было наполнить его, пренебрег этой обязанностью. Пустой бойлер со съемной крышкой не причинит вреда, но не рекомендуется оставлять его пустым, так как жар огня разрушит железо, из которого он сделан. Однако не следует предпринимать попыток наполнить бойлер, пока он горячий, так как результатом наливания холодной воды в него будет внезапное и бурное превращение воды в пар, и человек, наливающий воду, несомненно, получит ожоги. Если бойлер является таким, который наполняется автоматически, вероятно, произошло одно из двух: либо трубы заблокированы накипью — то есть осадком от кипяченой воды — либо подающая труба замерзла. Ни в том, ни в другом случае зажигать огонь небезопасно. Если трубы заблокированы накипью, в бойлере образуется пар, и он взорвется; если подающая труба замерзла, тепло может растопить лед, и приток холодной воды в любом случае расколет бойлер.
98
Рис. 3.
Когда вода расширяется при нагревании, в ней образуются конвекционные токи, и горячая вода поднимается на любую высоту, какую мы пожелаем, если есть холодная вода, чтобы занять ее место. Этот закон конвекции применяется для поддержания циркуляции горячей воды в трубах, используемых для обогрева дома. Общее устройство такой системы показано на рис. 3. Печь нагревает бойлер в подвале или на самом нижнем этаже дома; HB и HL’ — параллельные вертикальные трубы, соединенные с горизонтальной трубой H’H в верхней части дома; C — небольшой бак с холодной водой, который снабжен шаровым краном для поддержания подачи холодной воды в трубу H’L, если какая-либо вода отбирается в любой части контура. Короткая труба A действует как клапан для выхода воздуха из труб. Трубы H’L, H’H и HB заполнены водой. Когда в печи зажигается огонь, горячая вода вытесняется вверх по трубе HB холодной водой, спускающейся через H’L, и эта циркуляция продолжается до тех пор, пока в трубах поддерживается разница температур; то есть до тех пор, пока горит огонь. Любое количество змеевиков труб может быть введено в контур между бойлером и верхней частью трубы HB. При заполнении труб водой в этих змеевиках делается допуск на расширение воды при нагревании и на воздух, который, как мы видели, выходит из нагретой воды, и в каждом змеевике закреплен кран для выпуска любого воздуха, который мог в нем застрять. Если в трубах остается свободный воздух, циркуляция воды будет затруднена, и бойлер может стать опасно перегретым. Поэтому необходимо, когда отопительный прибор находится в использовании, осматривать эти краны и следить за тем, чтобы из них выходила вода, а не воздух.
Установка отопительного прибора в домах среднего класса довольно распространена, и там, где его нет, многие люди используют газовые или масляные печи в проходах зимой, ибо теперь осознано, что невозможно обогреть комнаты с помощью открытого огня, не создавая в них холодных сквозняков из холодных проходов, в которые они выходят. И, более того, постоянная смена температуры, встречающаяся при переходе из одной теплой комнаты в другую через холодные проходы, не только неприятна, но и не считается способствующей здоровью.
Давайте перейдем к охлаждению воды. Вода расширяется примерно на одну одиннадцатую своего объема при превращении в лед. Это изменение состояния, подобно изменению в пар, сопровождается выделением колоссальной механической силы. Если вода замерзает в трубах, она разрывает трубы, и при наступлении оттепели обнаруживается, что трубы протекают. Подходящим средством от такого положения вещей является защита труб от холода или их опорожнение, когда ожидается мороз. Во всех правильно построенных домах есть кран, с помощью которого подачу воды можно перекрыть от дома, тем самым позволяя опорожнить трубы в морозную ночь. Обычай оставлять краны капающими эффективен, потому что труба обычно подвержена замерзанию в какой-то конкретной точке, где она находится в непосредственном контакте с холодным воздухом, вероятно, в незакрытой щели, где труба проходит через стену; поддержание движения воды в трубе предотвращает охлаждение любой ее части до такой степени, чтобы она замерзла, но к этой практике не следует прибегать, так как она тратит воду впустую.
ЛУЧИСТОЕ ТЕПЛО
Рис. 4. — Сечение выпуклой линзы.
Приятно в сухой, тихий зимний день, когда земля покрыта хрустящим снегом или блестит от сильного мороза, чувствовать тепло солнечных лучей, и становится вполне модно для людей досуга проводить зимние месяцы на курортах среди покрытых снегом гор Швейцарии. Представляет некоторый интерес узнать, как получается, что солнечные лучи теплые, когда термометр говорит нам, что температура воздуха ниже точки замерзания. Существует старый и красивый эксперимент, в котором зажигательное стекло делается изо льда; это не сложно сделать. Если чашку весов обычных весов нагреть и прижать к куску льда (вогнутой стороной чашки весов к льду), сначала с одной стороны куска, а затем с другой, лед можно сформировать в выпуклую линзу (рис. 4). Если теперь эту линзу поместить на пути солнечного луча и свести свет в фокус, то есть в яркое пятно на листе бумаги, бумага нагреется и загорится, в то время как линза, через которую проходит тепло, останется льдом. Из этого мы можем предположить, что тепло солнца не влияет на среду, через которую оно проходит.
Клерк Максвелл предложил еще один эксперимент в иллюстрацию этого закона. С помощью ледяной линзы он собрал солнечный свет в фокус посреди бассейна с чистой водой и заметил, что в воде не было заметно никакого эффекта. Затем он направил фокус (пятно света) на пылинку в воде. Пылинка нагрелась, вода пришла в движение, образовались конвекционные токи, и пылинка была унесена в них. Это показало, что лучи света от солнца не влияют на вещества, через которые они могут проходить, и что они нагревают тела, через которые они не проходят. Лабораторными экспериментами было доказано, что все горячие тела излучают лучи тепла, видим мы эти лучи или нет. Когда мы видим лучи, говорят, что тела раскалены докрасна или добела. Процесс, посредством которого тепло переходит от одного тела к другому, не нагревая промежуточную среду, называется излучением. Излучение происходит только через прозрачные тела. Лучи тепла, подобно лучам света, проходят через прозрачные тела; тогда как они поглощаются, то есть они нагревают, непрозрачные тела. Лучи тепла распространяются по прямым линиям и отражаются от полированных поверхностей; их интенсивность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния объекта, на который они падают, от их источника. Тепло обычного огня — это лучистое тепло; когда мы сидим вокруг огня, мы действуем как непрозрачные тела и поглощаем тепло, и нас, как мы говорим, обжигает, если огонь очень яркий. Если мы отходим от огня, все еще позволяя тому же свету огня светить на нас, мы не обжигаемся; это потому, что нагревающая способность лучей изменяется обратно пропорционально расстоянию от их источника, поэтому если мы отходим на двойное расстояние, мы получаем одну четверть тепла, которое получали до того, как отошли. Если мы пододвигаем наши стулья в сторону, мы не обжигаемся, потому что лучи тепла не распространяются за угол.
ПРОВОДИМОСТЬ ТЕПЛА
Мы видели, что ледяная линза не пострадала от прохождения тепла через нее. Если мы теперь возьмемся за линзу, мы испытаем чувство холода, и линза начнет таять. Тепло перешло от нашей руки в лед. Процесс, посредством которого тепло переходит от одного тела к другому при соприкосновении с ним, называется проводимостью. Фундаментальный закон проводимости заключается в том, что тепло всегда переходит от теплого тела к холодному. Клерк Максвелл проиллюстрировал этот закон в серии очень простых экспериментов. Он поместил серебряную чайную ложку в чашку горячего чая и отметил, что ручка постепенно нагревалась от горячего чая; тепло переходило от чаши ложки в чае к последовательным частям ручки, пока вся ложка не стала горячей. Его вторым экспериментом было положить две холодные ложки, одну из серебра и одну из нейзильбера, в чай, когда он обнаружил, что произошло то же самое явление, но что серебряная ложка стала горячей гораздо быстрее, чем нейзильберовая. Затем он положил три ложки в чай, сделанные соответственно из серебра, нейзильбера и кости. В результате он обнаружил, что когда две другие были горячими, костяная ложка почти не показывала никаких признаков тепла на конце своей ручки.
Вывод, который можно сделать из этих экспериментов, заключается в том, что тепло проходит с разной скоростью через разные вещества. Вещества, через которые тепло проходит быстро, называются хорошими проводниками тепла. Закон проводимости тепла заключается в том, что в однородном теле поток непрерывен и идет от области высокой температуры к области низкой температуры, и что он продолжается до тех пор, пока тело не станет одинаковой температуры повсюду. Закон тот же для тел из разных материалов, когда они находятся в контакте друг с другом.
Проводимость тепла действует в каждой области домашней жизни. Люди живут в домах и одеты, чтобы защитить себя от превратностей погоды, включая холод зимы и жару лета; явление используется при обогреве дома и при приготовлении пищи.
При выборе материалов для различных целей необходимо учитывать их проводимость, ибо в некоторых случаях желательно, чтобы передача тепла происходила медленно, а в других — чтобы она происходила быстро. Можно было бы подумать, что проводимость вещества можно оценить на ощупь, но небольшое размышление покажет, что это не может быть так. Поток тепла между двумя телами зависит от разницы температур между ними, и если в момент прикосновения между ними не будет разницы температур, потока тепла не будет, хотя оба являются телами с большей или меньшей проводимостью. Давайте возьмем, для примера неопределенности оценки на ощупь, хорошо известный эксперимент. Предположим, у нас есть таз с горячей водой и таз с холодной водой, и мы опустим руку в каждый на несколько мгновений; предположим, мы вынем руки и погрузим их в таз с теплой водой, мы обнаружим, что теплая вода кажется холодной руке, которая была в горячей воде, и теплой руке, которая была в холодной воде.
К счастью, было найдено возможным в лаборатории отнести вещества к общему стандарту и присвоить им числовые значения в порядке их проводимости, так что вещества можно сравнивать и делать выбор для любой желаемой цели. Чистое серебро имеет самую высокую проводимость; другие полезные материалы принимают следующий порядок: медь, цинк, свинец, железо, сталь, мрамор, стекло, кирпич, шифер, дерево, мех, хлопок, фланель, вода, воздух. Мех и шерсть, несомненно, обязаны многим своим теплом тому факту, что они состоят из волокон, которые заключают в себе много воздуха, но на самом деле тепло рыхло сотканных шерстяных и вязаных изделий в целом часто переоценивается; они очень теплые как нижнее белье или в безветренную погоду, но в ветреную погоду воздух в них быстро меняется, и холод, кажется, продувает их насквозь. Если для какой-либо цели мы выбираем материал из его места в таблице сравнительной проводимости и используем его без ссылки на закон проводимости тепла, мы, вероятно, будем разочарованы результатом. Мы знаем, что хлопок легко горит; если мы натянем хлопчатобумажный носовой платок на заднюю крышку золотых часов и положим раскаленный уголек из огня на платок на часах, платок не сгорит.
Много интересных проблем возникает, когда дом должен быть построен или арендован. Часто есть возможность некоторого выбора материала для стен или крыши и некоторые особенности, которые нужно учесть. Являются ли верхние комнаты соломенного коттеджа теплее или холоднее, чем верхние комнаты дома, покрытого шифером? Является ли деревянное или железное здание теплее? Какая разница, если железное здание обшито деревом? Если бы железные стены были в два раза толще, какой был бы эффект внутри комнаты? Были бы стены такого здания всегда сухими внутри? Иногда случается, что торцевая стена ряда домов покрыта шифером, чтобы защитить ее от последствий штормов ветра и дождя; будет ли эта внутренняя стена всегда сухой?
Но хозяйку, вероятно, больше интересуют те предметы, используемые в доме, которые она обязана предоставить. Должны ли печи быть из шифера или железа? В старые времена грелки делались из меди. Какое изменение в способе использования оправдывает изготовление их из глиняной посуды или индийской резины? Медленная передача тепла через толстые шерстяные материалы была применена к конструкции норвежских кухонных печей (рис. 5). Эти печи состоят из деревянного ящика, выложенного хорошо набитым войлоком. Кухонные сосуды металлические; пища, когда она достигает точки кипения, помещается в эти сосуды, и крышки закрываются, толстый набитый войлок кладется на сосуды и полностью заполняет деревянную крышку ящика, который затем закрывается; тепло сохраняется, так что приготовление продолжается без дальнейшего внимания. Было бы возможно использовать норвежскую печь как холодильник? Сохраняла бы она ледяной пудинг холодным без каких-либо изменений? В связи с этим мы можем спросить, почему замораживающие машины имеют внутренний сосуд, в котором происходит замораживание, из цинка, а внешний сосуд, который содержит лед и соль, из дерева? Каков был бы эффект от замены материалов местами?