Техника - молодёжи 1969-05, страница 7

в биологии. Клетки живых организмов не мо£ут быть большими. Иначе поступление питательных веществ и выделения через мембрану будут происходить губительно медленно (таким образом, между теплообменом и обменом веществ можно провести формальную аналогию).

Но если речь пошла об аналогиях... У стакана д'Арсонваля — Дюара есть физический прообраз, созданный природой, — удаленные от Солнца планеты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Вакуум мирового пространства изолирует их от прямых контактов с источниками тепла — звездами. Посеребренная инеем поверхность этих планет отражает значительную часть лучигтого тепла. Вторую, внешнюю, сферу нашего космического «резервуара» можно (без ущерба для уяснения сущности) считать отнесенной в бесконечность. Замегим, что и форма планет близка к оптимальной — ведь из всех тел с заданным объемом шар имеет наименьшую поверхность...

Впрочем, приходит на ум и другая, совсем простая аналогия: если вы заметили, стакан Леннока устроен так же, как обычное окно с двумя рамами.

ТОНКИЕ металлические пластинки не помеха для световых лучей. Например, миллимикронные пленки серебра прозрачны, словно стекло. Инфракрасные лучи пронизывают без особого труда гораздо более толстые металлические пластины. Зеркало в дюарах не просто идеально гладкая поверхность, а скорее пространство, слой толщиной в сотни микрон. Чем ниже температура внутренней сферы, тем опаснее длинноволновое излучение. Если жидкий кислород (температура кипения t« = « —183^е С) жадно поглощает волны длиной от единиц до десятков микрон, то для жидкого водорода (t к = * —252,8° С) и гелия (tic * —268.9° С) наибольшую опасность представляют излучения длиной от десятков до сотен микрон. А чем длиннее волны, тем глубже они проникают в металл (при прочих равных условиях), тем толще должно быть «зеркало».

Если бы наше пространство было одномерным, а мир, в котором мы живем, представлял бы из себя линию, то сосуд Дюара приближенно можно было изобразить четырьмя точками на этой прямой: по две точки с каждой стороны от отрезка, занятого сжиженным газом. В двумерном пространстве (например, на листе бумаги) эти точки превратились бы в концентрические окружности. В первом случае было бы особенно просто рассчитать наш стакан. В плоскости задача уже представляет некоторые трудности. В реальном трехмерном пространстве точное решение иногда вообще невозможно. Вот почему приходится «упрощать» пространство.

При определении количества тепла, передаваемого излучением между двумя концентрическими сферами, можно, к примеру, заменить шары двумя параллельными плоскостями. Это похоже на то, как если бы мы услови

лись считать Землю плоской. Но ошибки в расчетах при такой замене относительно невелики — не больше, чем при измерении расстояния между городами по «плоской» географической карте.

Иногда, наоборот, кажущееся усложнение начальных условий позволяет быстрее получить результат. В комплексной системе координат можно решать задачи о текущей жидкости и о температурном и электростатическом полях сходными методами. Изотермы (линии одинаковых температур) в таком странном мире аналогичны силовым линиям электростатического поля, а те, в свою очередь, — линиям одинаковых скоростей течения жидкости. Это во многом упрощает анализ дюаров, а расчет «прохождения» тепла через стенки сосудов можно проводить по готовым формулам электростатики и гидродинамики.

Получить высокий вакуум в стакане д'Арсонваля — дело непростое. Остаточное давление в изолирующей полости может составлять практически 10 ~⁴ — 10 —⁶ мм рт. ст. Конвекция при таком давлении невелика, так как сам теплоноситель — воздух — практически отсутствует. Современная техника часто идет по другому, более экономичному пути: перенос тепла затрудняется не только за счет отсоса воздуха (вакуум до 10 мм рт. ст.), но и с помощью «лабиринта» из зерен или лент теплоизоляционного материала (вакуум-порошковая и вакуум-слоистая изоляция). Вот когда без специальных уравнений газовой динамики не обойтись. Ведь «лабиринт» как бы состоит из множества трубочек переменного сечения и разной длины. В зависимости от типа изоляции можно вычислить средние статистические параметры «лабиринта»* выбрать желанный оптимум.

В Институте ядерной физики АН ЧССР с успехом применяют стаканы из вспененной пластмассы (пености-рола). Для одновременного хранения разных газов можно использовать общее хранилище — систему из вставленных друг в друга цилиндров. В центральный цилиндр заливают газ с самой низкой точкой кипения, а в наружный — с относительно высокой. В таком «многоступенчатом» дюаре «криогены» экранируют друг друга от внешнего тепла. Испарившиеся газы из центральных отсеков направляют на «перифериюо для охлаждения внешних цилиндров.

Применяя эффективную изоляцию, можно уменьшить суточные потери жидкого водорода в стотонной цистерне до 0,3%. В масштабе народного хозяйства экономятся миллионы рублей! Однако многие важные вопросы криогенных систем еще не решены полностью. До сих пор кардинальнейшие проблемы техники — широкое применение жидкого гелия в радиоэлектронике, создание линий электропередач без потерь, магнитный транспорт на сверхпроводящих рельсах — упираются в старую как мир проблему «льда и пламени». Верится, когда-нибудь сверхсильные магнитные поля помогут овладеть и термоядерными процессами и ближними подступами к абсолютному нулю.

На левой части вкладки показаны разнотипные сосуды, предназначенные для хранения жидких газов. Традиционный дюар — две сферы, вложенные одна в Другую, с длинными узкими горлышками. Полированная поверхность сфер отражает лучистое тепло, а межстенный вакуум препятствует переносу тепла конвекции. Но откачать воздух до необходимой величины 10~^в мм рт. ст. (см. рис. 1 на вкладке) — дело непростое. Инженеры иногда предпочитают более экономичный путь: наряду с уменьшением количества воздуха (вакуум до 1Q—² мм. рт. ст.) затруднять перенос тепла и за счет «лабиринта» из металлических зерен (рис. 2). Микроскопические зеркальца отражают лучистую анергию и мешают конвекции. Однако идеальная преграда для тепла все-таки вакуум. Вот почему инженеры часто идут на заведомо большие расходы,

чтобы добиться хорошей теплоизоляции.

Создавая глубокий вакуум, они ко всему прочему помещают между стенками сосуда «зеркала» — полимерные пленки, покрытые алюминием (рис. 3). Эти пленки сильно ослабляют тепловые лучи.

В последнее время семейство ва-куумированных дюаров сильно разрослось, пополнилось новыми членами. Так, изоляция «многоступенчатого» сосуда не вакуум, а жидкие экраны. В центральный отсек заливают газ с самой низкой точкой кипения, а в последний, крайний — с относительно высокой. Испарившиеся газы из центра направляются на «периферию». В таком сосуде жидкости «самозащищаются» от тепла внешней среды. А чешские инженеры предпочли обойтись вовсе без «хитростей». Их стаканы из пено-

стирола вполне заменяют дорогостоящие дюары.

На правой части вкладки художник изобразил недалекое будущее. Тогда, видимо, хранилища для жидких газов с помощью аэростатов, ракет поднимутся в небо, в космос, подальше от теплого воздуха. Или, наоборот, опустятся под землю, где скальные породы укроют их от губительного солнца. А может быть, все решится проще: изоляцию заменит мощное магнитное поле, и «газовый шар» будет висеть в пространстве, не имея ни одной точки контакта.

Сейчас жидкий газ доставляется к потребителю автомобилями, по железной дороге или морем. Но ие далек тот день, когда строители проложат первый «газоэлектропровод». В многослойных трубах зажурчит жидкий газ, а по сверхохлажденным проводам будут передавать без потерь электроэнергию.

4