Физический принцип холодной стены

В учебниках и курсах физики он не нашёл упоминания о таком принципе. Знаете ли Вы, в чём он состоит?

Когда переводчик обратился ко мне с просьбой разъяснить выражение «принцип холодной стены», я убедился, что ни в одном из трех десятков имеющихся у меня под рукой русских и иностранных курсов физики принцип этот не упоминается. Мне вспомнилось, однако, что о нем говорилось в том старинном учебнике, в который я часто заглядывал, когда был школьником. Это объемистый французский учебник Гано, переведенный и изданный Павленковым. Теперь он стал книжной редкостью, но можно найти перевод более поздней переработки этого учебника (Гано-Маневрие «Полный курс физики»). Параграф о принципе холодной стены в нем уцелел. Вот он: «Принцип Уатта, или принцип охлажденной стенки. Предположим, что у нас есть два сосуда (рис. 1): А, содержащий воду при 100°С, и В, содержащий воду при 0°С. Пока они не сообщаются, упругость паров в них не одинакова: в В — 4,6 мм рт. ст., в А — 760 мм рт. ст. Но когда кран С открывается, пар из А поступает в В и там тотчас превращается в воду; поэтому пар в сосуде А не может иметь давления больше, чем в В.

Происходит перегонка из А в В без увеличения упругости (пара в В). Можно формулировать следующий принцип, установленный впервые Уаттом:

„Если два резервуара, заключающие одну и ту же жидкость при различных температурах, сообщаются между собою, то в них устанавливается одинаковая упругость паров, равная максимальной упругости, при более низкой из обеих температур“.

Читателю, которому известен поучительный физический приборчик, называемый „криофором“, знаком и принцип холодной стены, так как действие прибора основано именно на этом начале. Прибор состоит из двух полых стеклянных шаров, соединенных трубкой (рис. 2). В приборе имеется немного воды с паром над ней; воздух изнутри выгнан. Перелив воду в верхний шар, нижний погружают в охлаждающую смесь. Согласно „принципу холодной стены“, над водою в верхнем сосуде должно установиться низкое давление того сосуда, который погружен в охлаждающую смесь. Под пониженным давлением вода закипает, но образующийся пар конденсируется в холодном нижнем шаре — и кипение происходит так энергично, что вследствие усиленной потери тепла на парообразование вода в верхнем шаре замерзает, хотя он и не окружен льдом.

Рис. 2. Криофор (при охлаждении нижнего сосуда, в верхнем вода замерзает).

Уатт воспользовался этим принципом для устройства своего холодильника: отработавший пар из цилиндра сам устремляется в холодильник и там конденсируется.

До Уатта, в машине Ньюкомена, для конденсирования отработавшего пара впрыскивали в цилиндр холодную воду. При этом приходилось охлаждать не только самый пар, но и, прежде всего, стенки цилиндра, без чего конденсация не происходила; между тем при следующем ходе поршня в охлажденный цилиндр впускался горячий пар, первые порции которого конденсировались на стенках до тех пор, пока цилиндр не приобретал температуры пара в котле. Отсюда ясно, как невыгоден был такой способ конденсации: он требовал большого расхода пара и большого количества холодной воды, иначе говоря, лишнего расхода угля. Вот почему до-уаттовские машины имели такой невероятно низкий коэффициент полезного действия (0,3%). Уатт, в числе других улучшений паровой машины, придумал холодильник, основанный на открытом им „принципе холодной стены“: пар сам покидает цилиндр, оставляя его стенки горячими, и конденсируется вне его, в холодильнике».

Читателя, вероятно, интересует, как мог этот принцип, имеющий, казалось бы, только техническое применение, понадобиться в астрономии. Между чем ему принадлежит веское слово в вопросах, связанных с вращением ближайших к Солнцу планет Меркурия и Венеры.

Меркурий движется вокруг Солнца так, что его «сутки» равны его «году»: он неизменно обращен к Солнцу одной и той же своей стороной. На этой непрерывно озаряемой Солнцем стороне планеты стоит вечный день и страшный зной; на другой, всегда обращенной к мраку мирового пространства,- вечная ночь и сильнейший холод, мороз, близкий к температуре мирового пространства, к −264°С*. На холодной стороне Меркурия атмосфера должна сгуститься и замерзнуть, даже если она состоит из водорода. Но согласно принципу Уатта, к этой «холодной стене» планеты должна притечь атмосфера с дневной стороны, где установится то низкое давление, которое господствует над сжиженной атмосферой холодной стороны. Перетекающая часть атмосферы при низкой температуре тоже сгустится в жидкость — и так будет продолжаться до тех пор, пока на холодной стороне Меркурия не соберется атмосферная оболочка всей планеты. Следовательно, Меркурий не может обладать газообразной атмосферой: это неизбежно вытекает из принципа холодной стены при равенстве периодов вращения планеты вокруг оси и обращения вокруг Солнца.

По вопросу о том, какова продолжительность вращения Венеры, мнения астрономов расходятся. Одни считают, что для этой планеты существует такое же равенство продолжительности «суток» и «года», как и для Меркурия. Другие считают период вращения Венеры, ее «сутки», гораздо короче ее «года». Принцип холодной степы склоняет весы спора в сторону короткого периода вращения, так как непосредственными наблюдениями установлено присутствие у Венеры атмосферы: при равенстве «суток» и «года» атмосферу Венеры постигла бы участь атмосферы ее соседа Меркурия.

Принцип холодной стены разрушает и догадки Герберта Уэллса об атмосфере Луны, высказанные в остроумном его романе «Первые люди на Луне». Романист допускает, что атмосфера Луны ночью замерзает, а днем тает и испаряется, становится вновь газообразной. Однако одновременное существование на одной половине Луны сжиженного газа, а на другой — того же вещества в состоянии газообразном, как мы уже знаем, невозможно. «Должна происходить,— писал об этом проф. О. Д. Хвольсон,- непрерывная дистилляция воздуха, и нигде и никогда он не может достигнуть сколько-нибудь заметной упругости».

* Значительная вытянутость орбиты Меркурия обусловливает на границе областей вечного дня и вечной ночи существование промежуточной зоны, куда Солнце заглядывает в течение некоторой части года. Это обстоятельство, однако, не меняет дальнейших выводов.