I. Строительная теплофизика, теплотехника

Отступление 1. Почему мы топим зимой? [2]

«Неспециалист ответит: "Чтобы сделать комнату теплее". Изучающий термодинамику, возможно, выразится таким образом: "Чтобы подвести недостающую энергию". В таком случае прав окажется неспециалист, а не физик.

В соответствии с фактическим положением вещей предположим, что давление воздуха в комнате всегда равно атмосферному. В обычных обозначениях энергия единицы массы воздуха в комнате равна (аддитивной константой пренебрежем) , и, следовательно, энергия единицы объема равна, или, учитывая уравнение состояния,.. Для воздуха при атмосферном давлении.

Следовательно, количество энергии в комнате не зависит от температуры и целиком определяется показаниями барометра. Вся энергия, которую мы вводим в комнату при отоплении, уходит через поры в стенах наружу.

Я приношу бутылку красного вина из холодного погреба, и она принимает температуру теплой комнаты. Она становится теплее, однако ее внутренняя энергия увеличивается за счет наружного, а не комнатного воздуха.

Почему же все-таки мы топим зимой? По той самой причине, по которой жизнь на Земле была бы невозможной без солнечного излучения. При этом дело заключается не в падающей энергии. Последняя будет снова излучена вплоть до пренебрежительно малой доли, подобно тому, как человек не меняет своего веса, несмотря на принятие пищи. Условия нашего существования требуют известной температуры, и, чтобы ее поддерживать, используется не увеличение энергии, а понижение энтропии».

Р. Эмден.

Информация 1. Биографические сведения

Ньютон Исаак (4.01.1643 - 31.03.1727) - английский ученый. Родился в деревне Вулсторп (Англия) в семье мелкого землевладельца. Отец умер до рождения ребенка. Ньютон родился преждевременно и слабым, тем не менее впоследствии он отличался хорошим здоровьем и прожил 84 года. Образование получил в Тринити-колледже Кембриджского университета. В 1665 году стал бакалавром, в 1668 году – магистром. Ньютон не был женат, у него было мало друзей. Жизнь прошла однообразно и замкнуто. В науке Ньютон заложил основы современного естествознания: 1665-1666 гг. - закон Всемирного тяготения; 1687 г. – «Математические начала натуральной философии». «Начала» – одна из величайших книг в истории цивилизации. Ему принадлежат важнейшие работы в оптике и астрономии; создание дифференциального и интегрального исчисления. Много сил и чувств потратил он на споры о приоритете с Гуком, Лейбницем, Флемстидом. В последние годы жизни занимался вопросами богословия. Его именем названа единица силы – Ньютон.

Уатт Джеймс (19.01.1736 - 19.08.1819) - английский изобретатель. Уатт не получил специального образования. Был мастером-инструментальщиком при университете в Глазго. В 1774 г. создает машину двойного действия, но получил на нее патент только в 1784 г. Ввел первую единицу мощности – лошадиная сила. Его именем названа единица мощности – Ватт. 1 лошадиная сила (л.с.) = 736 Вт.

Фурье Жан Батист Жозеф (21.03.1768 - 16.05.1830) - французский математик и физик. Родился в семье портного в г. Оксерре. Восьми лет он осиротел, друзья отца помогли ему поступить в военную школу, где позднее он и преподавал. Основатель учения о теплопроводности, работа «Аналитическая теория теплоты» (1822 г.); вывел дифференциальное уравнение распространения тепла внутри твердого тела. Эта работа сыграла значительную роль в развитии математики. «Первопричины явлений нам не известны, но они подчиняются простым и постоянным законам, которые можно открыть путем наблюдения и изучение которых составляет предмет натуральной философии». Эта фраза характеризует подход Фурье и орудие, которым он пользовался при изучении природы, - таким орудием является математика.

Джоуль Джеймс Прескотт (24.12.1818 - 11.10.1889) - английский ученый. Владелец пивоваренных заводов. Экспериментально обосновал закон сохранения энергии. Показал, что теплоту можно получить за счет работы, и вычислил механический эквивалент теплоты. Установил зависимость количества теплоты, выделяемого при прохождении тока в проводнике (закон Джоуля – Ленца в 40-е гг. XIX в.). Его именем названа единица количества теплоты - Джоуль. Внесистемная единица теплоты 1кал = 4,19 Дж.

Кирхгоф Густав Роберт (12.03.1824 - 17.10.1887) – немецкий физик и математик. Родился в г. Кенигсберге (ныне Калининград); показал эффективность математики в исследовании физических явлений; важную роль сыграл труд «Лекции по математической физике» (1874-1894). В книге «Учебник механики» он высказал свою принципиальную установку, что цель науки заключается «не в том, чтобы объяснять явления природы, а в том, чтобы полностью и простейшим образом описывать ее».

Стефан Йозеф (24.03.1835 - 7.01.1893) - австрийский физик-экспериментатор. Родился в г. Клагенфурт. Однако своей научной репутацией обязан, прежде всего, работе по исследованию теплопередачи посредством излучения; в 1879 г. экспериментально, путем измерения теплоотдачи платиновой проволоки при различных температурах, нашел формулу: закон Стефана – Больцмана. Используя свой закон, Стефан впервые дал достоверную оценку температуры поверхности Солнца  – около 6000 К.

Больцман Людвиг (20.02.1844 – 05.09.1906) - австрийский физик-теоретик. Родился в Вене. Научные интересы Больцмана охватывали почти все области физики. Впервые применил к излучению принципы термодинамики. В 1884 году Больцман теоретически вывел закон излучения абсолютно черного тела, ранее установленный его учителем Й. Стефаном. Больной и подавленный, он покончил жизнь самоубийством.