Русский переводчик иностранного сочинения по астрономии встретил в тексте ссылку на "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.
Рис. 1. Опыт для пояснения "принципа холодной стены".
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.
Источник: "Знаете ли вы физику?" Я.И. Перельман /
Библиотечка "Квант", выпуск 82, М.: Наука, 1992.
