Tại sao chúng ta sử dụng sưởi ấm vào mùa đông?

21

TẠI SAO CHÚNG TA Ở TRONG MÙA ĐÔNG
CHÚNG TÔI SỬ DỤNG
Sưởi ấm?

Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Sư phạm Liên Xô
V. A. VẢI

Một ghi chú với tiêu đề này được nhà thiên văn học nổi tiếng người Đức Robert Emden xuất bản năm 1938 trên tạp chí Nature của Anh. “Thiên nhiên” là một loại tạp chí nơi các công trình khoa học nguyên bản (và một số trong số đó sau đó đã được trao giải Nobel) được xuất bản cùng với các bài báo cố gắng viết về nhiều chủ đề khác nhau.

Mặc dù ghi chú của R. Emden rất phổ biến nhưng nó vẫn không bị chú ý: các đoạn trích từ nó và phần thảo luận của nó có thể được tìm thấy trong tập thứ sáu của khóa học về vật lý lý thuyết của A. Sommerfeld, một nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng, người đã đóng góp rất nhiều cho sự phát triển lý thuyết cấu trúc nguyên tử của Bohr. Đây là những gì R. Emden viết trong ghi chú của mình: “Khi được hỏi tại sao chúng ta sưởi ấm vào mùa đông, một người không chuyên sẽ trả lời: để làm cho căn phòng ấm hơn; Dấu hiệu của nhiệt động lực học có lẽ sẽ được biểu thị như sau:

sẽ cung cấp năng lượng còn thiếu. Trong trường hợp này, người thường mới đúng chứ không phải nhà khoa học”. Hãy cùng tìm hiểu tại sao lại như vậy.

Chuyên gia đang đề cập đến năng lượng bên trong của không khí tràn ngập ngôi nhà của chúng ta và trong điều kiện dân cư điển hình, không khí hoạt động giống như một loại khí lý tưởng (chính xác hơn là giống như một hỗn hợp các loại khí lý tưởng). Năng lượng của khí lý tưởng tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối $T$ và lượng vật chất, tức là khối lượng của khí $m$. Vì vậy, đối với nội năng của không khí chúng ta có thể viết

$$U = amT,$$

trong đó $a$ là một hằng số nào đó.

Hiện nay sai lầm mà nhà khoa học mắc phải đang trở nên rất nghiêm trọng. Ông phát biểu rằng trong tình huống này khối lượng không khí $m$ là một hàm của nhiệt độ. Và thực tế là không gian sống không hề biệt lập với thế giới bên ngoài; khi không khí tan băng, nó nóng lên, nở ra và thoát ra một phần qua các vết nứt và lỗ chân lông trên tường. Để xác định

22

delta sự phụ thuộc của $m$ vào $T$, sử dụng phương trình Mendeleev-Clapeyron cho khí lý tưởng:

$$pV = \frac{m}{M} RT$$

(M là khối lượng mol của không khí, $R$ là hằng số khí phổ quát). Thể tích của phòng $V$ không thay đổi, áp suất $p$ không đổi, bằng áp suất không khí bên ngoài. Do đó, vế phải của phương trình (2), mặc dù nhiệt độ thay đổi, vẫn duy trì một giá trị không đổi. Điều này chỉ có thể thực hiện được nếu tích $mT$ không đổi.

Lưu ý rằng phương trình Mendeleev-Clapeyron thường được áp dụng trong trường hợp khối lượng $m$ cố định. Trong bài toán mà chúng ta đang xem xét, điều kiện này không được thỏa mãn và theo phương trình (1), nội năng của không khí, với tích $mT$ không đổi, phải không đổi. Sự gia tăng động năng trung bình của một phân tử riêng lẻ được bù đắp bằng sự giảm số lượng phân tử.

Nhiệt độ không khí trong phòng sẽ khác với nhiệt độ hoạt động của cơ thể con người. Nhiệt độ quá thấp gây hạ thân nhiệt nghiêm trọng trong cơ thể, do đó cản trở quá trình phản ứng hóa học đảm bảo quá trình trao đổi chất.

Là một nhà vật lý thiên văn, Emden không thể không nhớ đến vai trò của Mặt trời như “lò sưởi” tượng trưng giúp sưởi ấm Trái đất bằng bức xạ của nó. Mặc dù Trái đất tỏa gần như toàn bộ năng lượng nhận được từ Mặt trời trở lại không gian, nhưng năng lượng còn lại dường như được giải phóng ra môi trường vẫn đủ để duy trì nhiệt độ cần thiết cho sự sống trên bề mặt Trái đất. Sức mạnh của năng lượng mặt trời rơi trên một đơn vị diện tích bề mặt trái đất quyết định mức nhiệt độ $T$ (điều này giải thích sự thay đổi của các mùa và sự hiện diện của các vùng khí hậu), và sức nóng bên trong Trái đất bằng hàng nghìn phần nhiệt lượng của tia mặt trời và nó hoàn toàn không đủ để hỗ trợ sự sống. Do đó, mối nguy hiểm của nước hạt nhân, theo tính toán hiện đại của các nhà khoa học, không chỉ ở sự hủy diệt và tác động trực tiếp của vụ nổ lên các sinh vật sống mà còn ở sự xuất hiện của “mùa đông hạt nhân” - suy cho cùng, nhiều đám cháy sẽ gây ra một lượng lớn bồ hóng và bồ hóng không thể xuyên qua được ánh sáng mặt trời. Những chất béo này sẽ bao phủ toàn bộ Trái đất,

23

bất kể “ngọn lửa” chiến tranh hạt nhân xảy ra ở đâu. Hệ thống sưởi ấm mặt trời của Trái đất bị tắt và kỷ băng hà sẽ bắt đầu trên Trái đất.

Nhưng chúng ta hãy quay trở lại vấn đề sưởi ấm mặt bằng dân cư.

Các phương trình (1) và (2) đề cập đến nhiệt độ tính bằng kelvin. Phạm vi nhiệt độ tuyệt đối được gọi là Kelvin để vinh danh nhà vật lý người Anh W. Thomson, người đã nhận được danh hiệu Lord Kelvin vì những cống hiến to lớn của ông trong lĩnh vực khoa học và công nghệ. Tiêu đề này được chọn vì mục đích của con sông bên bờ mà Đại học Glasgow tọa lạc. Thomson đã dạy vật lý tại trường đại học này trong 50 năm. Đáng chú ý là các lựa chọn khác cho danh hiệu đã được thảo luận một cách hài hước trong gia đình - Lord Cable hoặc Lord Compass. Chúng phản ánh hai thành tựu của Thomson: ông tham gia chế tạo tuyến cáp xuyên Đại Tây Dương đầu tiên từ Mỹ đến Anh vào năm 1866 và đưa ra các điều kiện cấp tiến trong việc thiết kế la bàn cho tàu biển. Vì vậy, không có gì đáng ngạc nhiên khi khi phát triển các nguyên tắc cơ bản của nhiệt động lực học, Thomson đã băn khoăn về tính hợp lý của hệ thống sưởi ấm của chúng ta. Năm 1852, ông xuất bản một công trình trong đó ông chỉ ra rằng việc sử dụng cái gọi là máy bơm nhiệt mang lại lợi nhuận cao hơn nhiều lần so với các thiết bị sưởi ấm thông thường. Trong máy bơm nhiệt hoạt động theo nguyên lý của máy làm lạnh, năng lượng được sử dụng để truyền nhiệt từ không khí tải lạnh hơn sang không khí ấm hơn *).

Thomson’s Eden đã không nhận được sự phát triển hoặc ứng dụng thực tế trong nhiều năm. Năm 1920, tại đại hội đầu tiên của các nhà vật lý Liên Xô, Giáo sư V. A. Mikhelson, người nổi tiếng với công trình nghiên cứu trong lĩnh vực lý thuyết bức xạ nhiệt, đã đưa ra một báo cáo “Về sự gia nhiệt trong thời gian diapasic”, trong đó ông chủ yếu phát triển và bổ sung các ý tưởng của Thomson. Mikhelson đề xuất sử dụng các quá trình bay hơi và ngưng tụ của chất hoạt động trong máy bơm nhiệt, đây là điều được thực hiện trong các thiết kế hiện đại. Trong những thập kỷ qua, máy bơm nhiệt để sưởi ấm đã được sử dụng khá rộng rãi. Đặc biệt, vào mùa đông một năm, một bộ phận bơm nhiệt sưởi ấm bắt đầu hoạt động trong khu nhà trọ Yalta “Druzhba”, nơi nhiệt được lấy ra từ nước biển với nhiệt độ 8 ° C. Vì vậy, bạn có thể thoát khỏi nó với sự trợ giúp của cái lạnh.

*) Xem, ví dụ, «Kvant», 1986, số 11, tr. 19.