Теплофизика продолжается

Анатолий Вассерман,
корреспондент журнала «Наука и промышленность России»

   Поздней осенью 1973-го несколько лучших пятикурсников факультета теплофизики Одесского технологического института холодильной промышленности⁰² стояли перед стендом с предлагаемыми темами дипломных работ. Перечень сопровождался обещанием рассмотреть также темы, предлагаемые самими студентами. Не помню, кто из нас предложил исследовать зависимость теплоотдачи в морской воде от северного сияния. Но помню, что совместными усилиями за 5 минут был описан физический механизм этой зависимости⁰³. Ещё 5 минут заняла оценка величины эффекта, и все мы дружно решили, что сидеть несколько полярных зим⁰⁴ на Северном Ледовитом побережье никому из нас не хочется. Так что официально предлагать тему мы не стали.

   Эту историю я вспомнил в зале стендовых докладов 10-й российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, проходившей в Казани с 30-го сентября по 4-е октября 2002-го. Правда, северного сияния в списке исследуемых факторов не нашлось — но других проявлений электромагнитного поля хватало. В целом же списки факторов, свойств и самих веществ были несравненно пестрее памятного мне списка дипломных тем.

   Да и вся конференция обширна и разнообразна. Одни тезисы её докладов занимают 226 страниц энциклопедического формата. Сами же доклады предполагается издать в виде компакт-диска: любого меньшего носителя информации явно не хватит.

   Лично меня — по общеизвестной моей склонности к крайним позициям и движениям — более всего заинтересовала на конференции секция № 6 «Экстремальные состояния». Достижений в этой сфере более чем достаточно — и в высшей степени впечатляющих. Экспериментаторы не только научились создавать в лабораторных установках температуры, давления и плотности, более характерные для планетных и звёздных ядер⁰⁵. Они вдобавок ухитряются за считанные микросекунды существования подобных трудновообразимых условий измерять — и с хорошей точностью — многообразные свойства самых разных веществ, подвергнутых столь жёстким воздействиям. На основе столь скоротечных измерений можно достоверно предсказать поведение⁰⁶ систем, пока ещё лежащих на пределе — а порою даже за пределом — возможностей нынешней техники. Не зря один из крупнейших специалистов по изучению экстремальных состояний — академик РАН и бывший вице-премьер по науке правительства России В.Е. Фортов — менее чем за сутки до своего обзорного доклада «Теплофизические свойства веществ в экстремальных условиях», открывшего пленарное заседание конференции, был извещён о награждении — впервые среди отечественных учёных! — престижнейшей премией имени Макса Планка академии наук Германии.

   Впрочем, в остальных пяти секциях интересного было не меньше.

   Близкая мне по многолетнему программистскому опыту секция № 5 «Базы данных и справочные данные по теплофизическим свойствам веществ» представляла великое разнообразие инструментов, незаменимых при инженерном расчёте компрессоров и двигателей, трубопроводов и химических реакторов — словом, всего, где плотность, давление и температура имеют хоть какое-то значение. Инженеру требуются эти сведения в широчайшем диапазоне (кто знает, в каких условиях придётся работать будущим конструкциям) и в то же время во множестве соседних точек (надо выбирать оптимальный режим работы). Всё это необходимо выяснять как можно скорее, чтобы не затягивать проектирование. А от точности определения свойств зависит иной раз не только эффективность, но и вообще работоспособность системы.

   Секция № 4 «Межфазные взаимодействия и наночастицы» касается одной из самых горячих тем в современной технике. Возможности многофазных — содержащих одно и то же вещество сразу в нескольких агрегатных состояниях — систем в некоторых отношениях куда богаче возможностей однородных сред⁰⁷. А возможности частиц, чьи размеры сопоставимы с молекулярными, пока ещё и вовсе невозможно перечислить.

   Секция № 3 «Оптические свойства и тепловое излучение» рассматривала в основном высокотемпературные процессы: излучение пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры, так что при достаточном нагреве прочие каналы теплообмена становятся по сравнению с излучением пренебрежимо малы. Впрочем, нетепловые потоки света тоже бывают весьма значимы. В частности, немалая часть измерений — в том числе и в теплофизических исследованиях — делается сквозь сравнительно прозрачные окна, и их собственные оптические свойства могут многое исказить. Так что соответствующие доклады внимательно слушало множество экспериментаторов. А, скажем, лазерный луч может выступать и в сугубо оптической, и в тепловой роли. На конференции хватало докладов о лазерных — прежде всего, благодаря когерентности вынужденного излучения, интерференционных — методах измерения различных свойств. Но лично меня по страсти к ярким эффектам более всего впечатлило новейшее — не столько научное, сколько инженерное — достижение Агентства наукоёмких технологий. Уже довольно давно известны производимые этим агентством феерически красивые сувениры из стекла, в толще которого лазером выжжены бесчисленные микропузырьки, образующие объёмный рисунок. Но до недавнего времени размеры этих рисунков измерялись считанными сантиметрами. Теперь агентство умеет строить изображения размером до 1*1.5 м, да вдобавок ещё и многоцветные. Вообразите себе, например, выполненную по такой технологии фирменную вывеску на новейшем офисе!

   Самыми обширными, естественно, стали секции, заглавные для конференции — № 2 «Свойства переноса» и № 1 «Термодинамические свойства». Ведь именно этими свойствами определяется в конечном счёте поведение любого устройства, организующего и использующего тепловые процессы и потоки⁰⁸. Разумеется, в этих секциях оказалась куда больше, чем в остальных, доля сведений о ключевом звене экономики Татарстана — нефти и нефтепродуктах. Но более чем достаточно было и докладов о множестве других веществ. Хотя, конечно, всё разнообразие компонентов современной техники невозможно покрыть и сотней подобных конференций. Не зря одних периодических изданий, посвящённых этим свойствам, в мире выходят многие сотни.

   Из трёх докладов пленарного заседания выше упомянут только один. Но остальные не менее интересны.

   Академик РАН В.П. Скрипов в докладе «Концепция метастабильности и фазовые переходы» описал современное состояние исследований, важность которых можно оценить хотя бы по двум примерам из доклада. С точки зрения термодинамики метастабильна любая конструкция, содержащая растянутые элементы: от обычной балки до каната с грузом. Алмаз — общепризнанный символ несокрушимой вечности — при обычных давлениях тоже метастабилен: просто при комнатной температуре его переход в графит занимает время, сопоставимое с временем существования нашей планеты.

   Ректор Казанского государственного технологического университета⁰⁹, на базе которого проводилась конференция, профессор С.Г. Дьяконов в докладе «Теплофизические свойства веществ на основе интегральных уравнений для частичных функций распределения» рассмотрел один из ключевых вопросов теоретической теплофизики. Свойства веществ в конечном счёте определяются взаимодействием отдельных молекул¹⁰. Но этот «конечный счёт» представлен системами уравнений, пока не допускающими однозначного решения даже теоретически¹¹: выведенная «из первых принципов» цепочка уравнений оказывается разомкнутой — бесконечной. Чтобы замкнуть систему, приходится к теоретически обоснованным уравнениям добавлять эмпирические, лишая решение должной строгости. Но недавно найден новый способ замыкания, где произвольный — определяемый только на основе экспериментальных теплофизических данных — параметр всего один. Следствия из этого достижения теории пока трудно обозреть. Но уже можно ожидать заметного сокращения объёма трудоёмких экспериментов по поведению сложных веществ и одновременного повышения точности расчёта этого поведения.

   Словом, теплофизика — и теоретическая¹², и экспериментальная — развивается. И в силу растущих запросов практики, и на основе своих внутренних закономерностей — именно такие закономерности превращают набор разрозненных сведений в единую чётко структурированную науку.

   В конференции участвовали учёные не только из России¹³. Тем не менее она означена организаторами как 10-я российская. Но предыдущая, 9-я, была ещё всесоюзной. И состоялась в Махачкале в… 1992-м. С тех самых пор по общеизвестным экономическим причинам возможностей для созыва столь представительного научного собрания не было. То, что теперь эти возможности появились, свидетельствует не только об экономическом возрождении, но и об осознании структурами, определяющими развитие промышленности, невозможности этого развития без надёжной научной опоры.

   Отечественная наука готова такую опору дать. Дело отечественной промышленности — максимально её использовать.

⁰¹Дополнительные сведения по конференции можно найти на сайте Казанского государственного технологического университета, где она проходила.

⁰²Ныне Одесская государственная академия холода.

⁰³Тепло в воде переносится в основном конвекцией — потоками жидкости разной температуры. Морская вода электропроводна, и её потоки чувствительны к магнитному полю. Северное сияние свидетельствует, что в магнитное поле Земли вломился — и, конечно, изменил его — мощный поток скоростных заряжённых частиц от Солнца.

⁰⁴Чтобы вычленить систематический эффект на фоне случайных помех, требуется тем больше измерений, чем меньше отношение сигнала к помехам: усреднение измеренных данных подавляет случайные факторы пропорционально квадратному корню из числа данных. Северное сияние искусственно вызвать пока нельзя, так что пришлось бы ожидать, пока нужное количество наблюдений наберётся естественным путём.

⁰⁵Методы при этом используются весьма разнообразные. Образцы веществ испаряют мощнейшими электроимпульсами или точно дозированными вспышками лазеров, столь краткими, что свет иной раз не успевает даже совершить одно полное колебание. Их мечут направленными взрывами на массивные наковальни или обжимают со всех сторон взрывом сферического заряда, в центре которого размещён образец с промежуточными прокладками для правильного нагружения. Образец можно нагружать не только одним ударом, но и последовательностью частых скоротечных импульсов, чтобы остальные части установки выдерживали меньшие усилия. Словом, изобретательность учёных ещё далеко не исчерпана.

⁰⁶Иной раз парадоксальное. Например, при сверхвысоких давлениях изолятор может стать проводником (электронные оболочки атомов сближаются настолько, что электроны с лёгкостью перескакивают с атома на атом), а проводник сверхпроводником или изолятором (свободно бегающие по кристаллу электроны, сближаясь, объединяются в пары, способные в зависимости от размера пары либо легко проскальзывать поверх неоднородностей структуры, либо, напротив, намертво застревать в них).

⁰⁷Достаточно напомнить, что работа любого современного холодильника строится на циклах испарения и конденсации рабочего тела. В принципе можно было бы не доводить до этого, а работать только с газом — но тогда агрегат был бы во много раз более громоздким.

⁰⁸Капризность этих потоков — особенно на границах твёрдого тела и жидкости, где в основном и определяется теплопередача — иллюстрируется обычаем, бытовавшим на факультете теплофизики, когда я там учился. Ответ на вопрос о факторах, от которых зависит теплоотдача в тех или иных конкретных условиях, чаще всего завершали словами, позаимствованными из морских рассказов Леонида Соболева: «А также от погоды, расположения звёзд на небе и цен на мандарины в Сухуми». Опровергнуть наличие такой зависимости вряд ли возможно.

⁰⁹Большинство нынешних технологических университетов СНГ выросли из политехнических институтов. Казанский же образовался слиянием нескольких прославленных местных институтов — от химико-технологического до авиационного.

¹⁰Свойства молекул и характер их взаимодействия тоже проще определить из эксперимента, чем из квантовомеханических расчётов. Но технология этого эксперимента зачастую проще, чем теплофизического. А главное — проводятся такие эксперименты независимо от теплофизики, и та может воспользоваться готовыми данными.

¹¹Не говоря уж о практических сложностях: решение подобных систем требует расчётов, по сравнению с которыми прогноз погоды выглядит задачкой из школьного учебника арифметики.

¹²Особенно близкая мне по институтской специализации.

¹³В частности, лично я представлял на ней доклад моего отца — профессора А.А. Вассермана, преподающего несколько теплофизических дисциплин в Одесских национальных морских университете и академии — и его соавтора из Одесской государственной академии холода профессора С.В. Бодюла «Автоматизированная система для определения теплофизических свойств газов и жидкостей». Были доклады из Душанбе, Киева, Минска, даже из Парижа и Софии.