Дом и очаг, одежда и пища с точки зрения термодинамики

А. Федорова, 11 класс МОУ Гимназия № 5 г. Юбилейный Московской обл.

Комфортные для человека условия (особенно в холодное время года) будут обеспечены только за счёт поддержания комнатной температуры воздуха (обычно 18-20 С° ).

Разумеется, сделать это можно лишь в замкнутом помещении, где наружные стены, пол и потолок имеют достаточно низкую теплопроводность. Окна, подобно коже человека, проводят тепло лучше и являются основным источником тепловых потерь в доме. Согласно управлению теплообмена Ньютона, скорость потока теплоты dQ/dt прямо пропорциональна площади окна S и разности температур ∆T между внутренними и внешними стёклами и обратно пропорциональна его толщине d:

здесь А − коэффициент теплоотдачи. Поэтому для удержания тепла полезнее увеличить толщину воздушной прослойкой (например, установить двойные оконные рамы), чем ставить толстые стёкла. Потери тепла необходимо восполнять за счёт его притока, например от радиаторов отопления. А как быть в сельских домах с печным или комнатным отоплением? В принципе здесь всё обстоит так же, лишь подача тепла происходит не в непрерывном, а в “импульсном” режиме. С точки зрения термодинамики интересно, на что именно расходуется теплота сгорания топлива (дров, угля и т.п). Оказывается, до 25-30% этой энергии идёт на обогрев улицы.

Дело в том, что воздух в негерметичном помещении нагревается при постоянном атмосферном объёме V=const и постоянном атмосферном давлении p=const. Если считать воздух идеальным газом, то процесс нагревания подчиняется уравнению состояния:

где CV − удельная теплоёмкость воздуха при постоянном объёме, − его средняя, или внутренняя, энергия, N − полное число молекул воздуха и T− его температура.

Поскольку в холодной комнате температура ниже, чем в натопленной (T1<T2) соответственно (N1>N2). Это означает, что в процессе нагревания комнаты часть её воздуха, расширялась, выходит через щели и печную трубу на улицу, унося с собой часть теплоты. При этом средняя энергия − теплового движения остающихся в комнате молекул не изменяется, так что мы в буквальном смысле отапливаем улицу (и это неизбежно, если мы не хотим резко поднять давление в комнате, загерметизировав её).

Уже давно было замечено сходство процессов обогрева жилища и питания самого человека (каждый знает, что, если долго не есть, начинаешь мёрзнуть даже летом). Но ведь людям нужно не только поддерживать температуру своего тела, но и производить полезную работу физическую или интеллектуальную. И то и другое требует затрат энергии, так что человек представляет в этом аналог тепловой машины, которую надо подпитывать извне.

Любой продукт питания, как и обычное топливо, содержит в качестве энергоносителей различные соединения углерода (жиры и углеводы). В живом организме они окисляются, соединяясь с О2.

Энергетическая ценность, как продуктов, так и топлива определяется в калориях. В организме происходит медленное, многоступенчатое “внутреннее” сгорание, в итоге исходный углерод превращается в углекислый газ СО2 и воду Н2О.

Долгое время оставались сомнения в применимости к этому случаю первого начала термодинамики. Не обладает ли живой организм какой-либо особой “жизненной силой”, нарушающей данный закон? На этот вопрос отрицательно ответили ещё в 1780 г. французские учёные Антуан Лавуазье и Пьер Лаплас. Они доказали, что тепловые эффекты при внешнем и “внутренним” сгорании абсолютно одинаковы.