Ngôi nhà mà...

40

Ngôi nhà mà…
A. V. TOKAREV

Kiến trúc sư xuất sắc người Ý của thế kỷ 16, Andrea Palladu, tin rằng trong mọi tòa nhà phải tuân thủ ba điều, nếu không có điều đó thì không có giá trị nào xứng đáng được chấp thuận. Đây là sự leo thang (và sự tiện lợi), vẻ đẹp và độ bền. Chúng ta hãy gác lại những thông điệp về sự tiện lợi và vẻ đẹp mà nói về độ bền, hay nói cách khác là về độ tin cậy của tòa nhà.

Chắc hẳn mỗi bạn đều biết rằng việc xây dựng bất kỳ công trình kiến ​​trúc nào đều bắt đầu từ việc đặt nền móng. Một nền tảng tốt, vững chắc là chìa khóa để thành công hơn nữa. Nhưng điều này có nghĩa là gì - một nền tảng vững chắc?

Nhiều câu hỏi cần được giải đáp bởi các chuyên gia. Một trong số đó là cuộc chiến chống giải quyết nền móng. Những khó khăn đặc biệt liên quan đến vấn đề này nảy sinh khi các công trình phát sinh trên vùng đất đóng băng vĩnh cửu. Những ngôi nhà được xây dựng ở đó thường xuất hiện các vết nứt do độ lún không đồng đều của nền móng do sự sụt lún của lớp đất bên dưới.

Có thể tránh được hiện tượng tan băng của đất dưới những ngôi nhà được xây dựng trên vùng đất đóng băng vĩnh cửu hay ít nhất là giảm bớt tình trạng tan băng?

Hãy thử giải bài toán này, chỉ dựa trên kiến ​​thức về các quy luật và mô hình vật lý đơn giản nhất.

Trước hết chúng ta hãy phân tích điều kiện bài toán. Tại sao đất dưới nhà có thể bắt đầu tan băng? Rõ ràng là do nền móng truyền một phần nhiệt cho nó. Vì vậy, tất cả là về nền tảng. Khi đó, việc đầu tiên cần làm là giảm diện tích tiếp xúc giữa móng và mặt đất. Chính vì mục đích này mà các nhiệm vụ bắt đầu được xây dựng trên các kết nối, từ bỏ nền tảng vững chắc thông thường. Nhưng điều này hóa ra là không đủ.

Bạn có thể làm cách nào khác để giảm prioctella xuống đất? Trong trường hợp này, prioctella chỉ được truyền bằng tính dẫn nhiệt; Do đó, vật liệu liên kết để dẫn nhiệt kém nhất có thể. Các mối quan hệ nên được làm từ gì?

Để định lượng độ dẫn nhiệt của các chất khác nhau, một đại lượng vật lý đặc biệt được sử dụng - hệ số dẫn nhiệt. Nó khác nhau đối với mỗi chất. Kim loại có độ dẫn nhiệt cao nhất, chất lỏng có độ dẫn nhiệt không phải VELICA và chất khí thậm chí còn kém hơn. Đối với lý luận của chúng tôi, điều quan trọng là làm thế nào chính xác

41

Hệ số dẫn nhiệt được xác định và nó được đo bằng đơn vị nào. Chúng tôi chỉ quan tâm đến việc so sánh khả năng dẫn nhiệt của các vật liệu khác nhau. Vì vậy, chúng ta sẽ sử dụng sách tham khảo *) và lập một bảng nhỏ về hệ số dẫn nhiệt tương đối, chọn hệ số dẫn nhiệt của nước làm đơn vị:

| Chất | Độ dẫn nhiệt tương đối | Chất | Độ dẫn nhiệt tương đối |
| :— | :— | :— | :— |
| Xăng dầu | 0,2 | Sắt | 122 |
| bông gòn | 0,07 | Dầu hỏa | 0,2 |
| Nước | 1 | Gạch | 1,1 |
| Không khí | 0,04 | Đá | 3,7 |
| Cảm thấy | 0,1 | Nút chai | 0,07 |
| Cây | 0,2—0,6 | Rượu bia | 0,3 |

Chúng ta hãy nhìn kỹ vào bảng này. Trong số các vật liệu rắn, bông gòn và nút chai có tính dẫn nhiệt tốt nhất, tiếp theo là gỗ và gạch. Tuy nhiên, trước hết, kết nối phải mạnh mẽ nên tất cả các vật liệu được liệt kê đều không phù hợp. Điều gì sẽ xảy ra nếu kết nối được làm bằng kim loại, chẳng hạn như sắt và bông gòn, nỉ hoặc một số chất xốp khác chứa nhiều không khí được đặt bên trong nó? Đây là lối thoát!

Vì vậy, mối liên kết phải được làm bằng vật liệu cứng bền và chứa đầy một số loại chất xốp.

Phân tích kết quả thu được, chúng tôi đưa ra lựa chọn: do độ dẫn nhiệt thấp, việc kết nối cấu trúc được chỉ định sẽ thực sự làm giảm dòng nhiệt từ không khí xung quanh đến nhóm (nghĩa là từ trên xuống dưới) trong mùa ấm. Và trong cái lạnh? Sẽ rất tốt nếu đảm bảo rằng vào mùa đông, trong những đợt sương giá nghiêm trọng, dây buộc giúp làm mát nhóm (nghĩa là nó truyền nhiệt lên trên). Điều này sẽ làm tăng sức mạnh của nhóm và giảm mức độ tan băng vào mùa hè.

Chúng ta hãy trình bày rõ ràng hơn những quá trình vật lý nào xảy ra trong đất tươi và trong đất vào mùa hè và mùa đông. Vào mùa ấm, phần trên tươi mát, tiếp xúc với không khí và nóng lên. Dần dần, phần tươi trong lòng đất cũng sẽ nóng lên. Càng ít làm nóng phần dưới của tươi, và do đó, các nhóm liền kề thì càng tốt. Vào mùa đông, phần trên được làm mát mới bằng cách tiếp xúc với không khí lạnh. Phần dưới được làm mát dần dần và các nhóm xung quanh tươi mới. Nhiệt độ mà nhóm được làm mát càng thấp thì càng tốt.

Do đó, kết nối do với các thuộc tính sau:

a) nếu nhiệt độ của phần trên cao hơn nhiệt độ của phần dưới thì cọc sẽ dẫn nhiệt kém;

b) nếu đầu trên mát hơn đầu dưới thì đống sẽ dẫn nhiệt tốt.

Hay nói cách khác:

truyền nhiệt từ trên xuống dưới sẽ kém và từ dưới lên trên - tốt.

Như đã biết, ở chất rắn, sự dẫn nhiệt chỉ xảy ra do tính dẫn nhiệt không phụ thuộc vào hướng. Điều này có nghĩa là một liên kết có các tính chất nêu trên không thể được tạo ra từ chất rắn. Mô hình trước đây của chúng tôi - một kết nối kim loại chứa đầy vật liệu xốp - không phù hợp (“bên trong” xốp sẽ dẫn nhiệt hiệu quả hơn không chỉ vào mùa hè mà còn vào mùa đông, khi các nhóm mong muốn được làm mát tốt).

Nhưng nếu lớp vỏ bền còn mới, chịu được tải nặng, chứa đầy chất lỏng hoặc khí thì sao? Trong trường hợp này, quá trình truyền nhiệt sẽ được thực hiện không chỉ bằng tính dẫn nhiệt mà còn bằng sự đối lưu. Điều này sẽ dẫn đến điều gì?

Vào mùa đông, các lớp chất lỏng hoặc khí phía trên sẽ nguội đi và đặc hơn sẽ chìm xuống. Nơi này sẽ bị chiếm giữ bởi những con voi thấp hơn dày đặc hơn, chúng sẽ nguội đi và chìm xuống, v.v. Kết quả là, những con voi trong lành và các nhóm xung quanh nó sẽ chịu nhiệt độ của không khí xung quanh, tức là chúng sẽ được làm mát do sương giá tự nhiên. Vào mùa hè, các lớp chất lỏng hoặc khí phía trên sẽ bị

42

Tất nhiên, làm nóng bằng không khí xung quanh, nhưng do ít đậm đặc hơn nên chúng sẽ không chìm xuống. Sự truyền nhiệt sẽ chỉ được thực hiện bằng tính dẫn nhiệt và điều này rất nhỏ đối với chất lỏng và chất khí.

Điều này có nghĩa là việc buộc một cấu trúc như vậy vào mùa hè sẽ dẫn nhiệt kém và đất xung quanh nó sẽ ấm lên một chút.

Vì vậy, chúng tôi đi đến kết luận: kết nối làm bằng vật liệu bền phải chứa đầy chất lỏng hoặc khí.

Câu hỏi cuối cùng vẫn còn - chính xác thì tôi nên điền kết nối bằng gì? Vào mùa đông, điều này đều giống nhau, vì trong thời gian lạnh kéo dài, nhiệt độ mặt đất sẽ có thời gian tăng lên bằng nhiệt độ môi trường. Vào mùa hè, điều quan trọng là đất phải ấm lên càng ít càng tốt. Điều này có nghĩa là cần phải chọn một vật thể mà khi nhận vật thể đó sẽ ít nóng lên nhất. Từ công thức

$$Q = cm(t_2 - t_1)$$

chúng tôi thấy rằng sự thay đổi nhiệt độ $(t_2 - t_1)$ không chỉ phụ thuộc vào lượng nhiệt $Q$ nhận được mà còn phụ thuộc vào nhiệt dung từ xa $c$ của cơ thể và khối lượng của nó $m$.

Khối lượng của chất lỏng luôn lớn hơn khối lượng của chất khí có cùng thể tích. Từ những báo cáo này, ưu tiên thuộc về bộ phận thanh khoản. Bây giờ hãy so sánh các nhiệt độ cụ thể, sử dụng sách tham khảo đã được đề cập:

| Chất | Nhiệt dung riêng, kJ/(kg K) |
| :— | :— |
| Xăng dầu | 1,4 |
| Nước | 4,2 |
| Không khí | 1 |
| Glyxerin | 2,4 |
| Dầu hỏa | 2,1 |
| Dầu máy | 1,9 |

Hóa ra nhiệt dung riêng của chất lỏng lớn hơn của chất khí.

Do đó, kết nối phải được đổ đầy chất lỏng. Nhưng cái nào? Nước, mặc dù rẻ nhất và dễ tiếp cận nhất, nhưng lại không phù hợp vì nó đóng băng vào mùa đông. Glycerin và dầu máy đặc lại ở nhiệt độ thấp khiến quá trình đối lưu khó khăn. Những gì còn lại là xăng và dầu hỏa. Cả hai chất lỏng đều đóng băng ở nhiệt độ dưới -50°C, vì vậy mỗi chất lỏng đều có thể “chịu được” những đợt sương giá mùa đông khắc nghiệt. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn chọn dầu hỏa vì nó có nhiệt dung riêng cao hơn và rẻ hơn xăng.

Cuối cùng chúng ta cũng có thể tạo thành trận chung kết đáp số bài toán.

Vì vậy, để giảm số lượng nhà xây trên vùng băng vĩnh cửu, các công trình phải được xây dựng trên nhà sàn; Các dây buộc được làm bằng vật liệu rắn bền, bên trong phải đổ đầy dầu hỏa.

Lưu ý rằng phương pháp gia cố nền móng bị đóng băng (giảm lượng đất cung cấp dưới nền móng) không phải là tưởng tượng mà là thực tế. Nó đã được phát triển chi tiết về mặt lý thuyết và được thử nghiệm trong các điều kiện vận hành tùy ý “vi phạm” quy luật tự nhiên. Hãy nghe điều này được mô tả trong cuốn sách “Những phép lạ không có phép lạ” của A.P. Nechaev:

“… Ấm samovar đã được phục vụ. Hơi nước bốc ra từ dưới nắp. Họ bắt đầu pha trà, và hóa ra nước đã lạnh!”

Chúng tôi chỉ nói thêm rằng sự việc được mô tả xảy ra vào cuối thế kỷ 19, khi các samovar, không giống như các loại điện hiện đại, được đốt bằng than.