Холод не пройдет, тепло не уйдет

Ранняя фотография (около 1948 г.), на которой изображены некоторые из ранних образцов пенополистирола (Styropor®). Фото: DASF, сatalogimages.wiley.com

Почему дома тепло?

Тепло – это форма энергии, которая создается движением молекул. Чем горячее предмет, тем быстрее движутся частицы вещества, из которых он состоит, и тем больше энергии они в себе несут. Чтобы привести их в движение, нам тоже нужна энергия. Например, заваривая чашку чая, мы преобразуем ее из электричества или получаем при сгорании газа. Но когда чайник вскипел, он не будет хранить в себе эту энергию вечно. Его тепло будет рассеиваться, передавая энергию окружающей среде, пока вода не станет комнатной температуры.

Это явление называется теплопередачей. Когда два объекта имеют разную температуру, то тепловая энергия передается от одного объекта к другому, как только они соприкасаются. Если вы забыли второе начало термодинамики, то напомним, что тепло всегда передается от горячего к холодному, и никогда – наоборот. Как только оба объекта достигнут одинаковой температуры, передача энергии прекратится.

Если подуть на чай, он остынет быстрее из-за движения воздуха, частицы которого «на лету» забирают часть энергии и рассеивают в окружающую среду. Этот эффект называется конвекцией, и он работает даже без стороннего вмешательства. Если горячая поверхность соприкасается с более холодным воздухом, тепло передается воздуху. Более теплый и легкий воздух поднимается вверх и заменяется холодным, вызывая непрерывный поток и, за счет естественной конвекции, постепенно отводя тепло от горячего чая.

Теплопроводность – еще один из типов теплопередачи. Это способность разных материалов, обычно твердых, передавать энергию прямо через собственное вещество, от одной частицы к другой, в отличие от конвекции, когда движется само нагретое вещество. Например, металлический чайник обладает высокой теплопроводностью, а его деревянная ручка – низкой, поэтому наливать себе горячий напиток вы будете, держась за дерево, а не за железо.

Так почему же нагретый камином дом не остывает, обдуваемый ветрами в морозную ночь, как забытый на столе чай? Ведь раз физически тепло всегда перемещается из областей с высокой температурой в области с более низкой, то зимой оно будет пытаться уйти через стены, окна, крышу и пол.

Все дело в материалах, которые служат барьером между горячим и холодным, не позволяя передавать энергию, и способах их применения.

Немного истории

Тысячелетия назад люди строили дома с использованием материалов из шкур животных, меха и растительных материалов – льна, тростника, соломы. Эти материалы могут удерживать много воздуха между молекулами, создавая воздушную полость для уменьшения конвекции и, соответственно, теплообмена. Вот как это работает: холодный воздух, беспрепятственно перемещающийся за пределами изолирующего материала, внутри него сталкивается с множеством препятствий, замедляется и гораздо медленнее переносит энергию из теплого дома на улицу.

Крыша из морских водорослей, остров Лесё, Дания. Поскольку водоросли пропитаны солью, крыша не разлагается и может сохраняться в течение сотни лет. По мере старения кровли она превращается в единую высохшую сплошную массу, которая не только водонепроницаема, но и, из-за состава выбранных водорослей, огнестойка designboom.com

В XII и XIII веках северные европейцы строили дома с соломенной крышей, а стены - из камня и глины, благодаря высокой плотности которых внутренняя температура меняется очень медленно. Это свойство материалов сохранять относительно постоянную температуру называется тепловой инерцией. Благодаря ей в каменных зданиях прохладно летом и тепло зимой.

Органические материалы стали первыми теплоизолятами, доступными человеку, и неплохо справлялись со своей функцией: защищали от плохих погодных условий, помогали согреться, они были доступны и легки в производстве. Их главный недостаток - недолговечность. Органика могла легко отсыреть, покрыться плесенью, а еще она довольно неплохо воспламенялась, что в эпоху печного и кострового обогрева легко могло привести к печальным последствиям.

Реконструкция отделанного кремнем коттеджа, основана на археологических данных по результатам раскопок заброшенной средневековой деревни Ханглтон в Сассексе, Англия, вероятно, построенной в XIII в. Фото: Tony Marshall LRPS, flickr.com

Поэтому люди стали искать более долговечные и практичные материалы. В XIX веке они уже не довольствовались натуральными материалами, а создавали искусственные, которыми пользуются до сих пор: каменная вата, стекловолокно, керамзит и другие теплоизоляты.

Самый первый полимер

В 1839 году немецкий аптекарь Эдуард Симон экспериментировал с вязкими жидкостями, в том числе смолой азиатского ликвидамбара – дерева, бальзам из которого применяли древние египтяне в процессах мумификации.

Перегоняя смолу в карбонате натрия и нагревая ее, фармацевт получил коричневую маслянистую жидкость, которую назвал стиролом. Через несколько дней стирол уплотнился, по консистенции став похожим на желе. Симон решил, что это произошло вследствие окисления, и, назвав новое вещество оксидом стирола, благополучно о нем забыл, не найдя практического применения.

На самом деле, изменение агрегатного состояния было вызвано не окислением, а полимеризацией, и оксид стирола на деле оказался первым в мире синтетическим полимером – полистиролом. Это спустя почти 100 лет подтвердил другой немецкий химик – Герман Штаудингер. Он выяснил, что нагревание стирола вызывает цепную реакцию, во время которой образуются длинные цепочки молекул. Это открытие привело Штаудингера к Нобелевской премии, а весь мир – к началу производства пластмасс. Ранняя фотография «баночного» процесса для коммерческого производства полистирола. Этот простой процесс включает заполнение 37,5-литровых металлических банок мономером стирола. Затем его подвергают термической полимеризации в нагреваемых ваннах, а после — измельчению полистирольных цилиндров в ваннах. Фото: Dow Chemical Company, сatalogimages.wiley.com В 1949 году, и опять в Германии, научились производить легчайший материал – пенопласт. Полистирол смешивали с легкими углеводородами, которые испарялись при нагревании, оставляя после себя множество пор. Получившийся пенополистирол на 95–98 % состоял из воздуха, а благодаря множеству мельчайших пор оказался отличным теплоизоляционным материалом. 1954г. – экструдированный пенополистирол (EPS) впервые использован в качестве строительного материала. Фото: BASF, smartpackagingeurope.eu Этим свойством пенополистирол обязан своей структуре. Воздух, запертый во множестве ячеек, не циркулирует внутри материала, что исключает эффект конвекции, который присутствует, например, в стекловате. Когда тепло пытается проникнуть через стенки ячеек, более теплые молекулы воздуха передают свою энергию более холодным молекулам, находящимся в соседних ячейках. Этот процесс происходит через тонкие стенки полимера, которые служат теплопроводником. С каждым переходом тепла между ячейками часть энергии теряется, и, таким образом, тепло переносится медленнее. flaticn.com, ru.freepik.com В сравнении с другими существовавшими на тот момент материалами пенополистирол практически не впитывал воду, мог выдерживать постоянное воздействие температур до 80 градусов, к тому же оказался долговечным и, что очень важно – дешевым. Надо ли говорить, что появление пенопласта произвело революцию в строительной отрасли. Даже сегодня 8 из 10 домов в Европе утеплены именно этим материалом. Минусы есть: пенопласт паронепроницаем, он хрупкий, и при этом его неудобно обрабатывать – только горячим ножом. И жесткий, и упругий Немецкий химик Отто Байер в своих экспериментах пытался выделить вещество, которое сможет превзойти свойства нейлона. Его основная идея заключалась в смешивании малых количеств химических веществ для получения сухих пенистых материалов. Так Байеру удалось синтезировать полиуретановую пену. Он обнаружил, что, изменяя пропорции компонентов при смешивании двух жидких реактивов, можно получить полимер, имеющий разные свойства. Это открытие позволило регулировать физические характеристики конечного вещества, делая его более жестким или эластичным. Профессор Отто Байер в 1952 году демонстрирует созданный им пенополиуретан. Фото: Bayer AG, bayer.com

Одна из разновидностей пенополиуретана известна всем под названием поролон – это эпоним от названия норвежской фирмы Porolon AS. Изобретение практически сразу забрали в самолетостроение: легкий и прочный материал выдерживал сумасшедшие перепады температуры. Эти свойства позднее пригодились и в ракетостроении. Затем материал спустился с небес на землю и попал практически во все сферы промышленности, но особенно полюбили его строители. Пенополиуретан пластичен, отлично удерживает тепло, не поддерживает горение и не впитывает влагу, что сделало его идеальным материалом для теплоизоляции. А еще его можно наносить методом напыления, что удобно при строительстве. При изготовлении большинства напыляемых пен две жидкости смешиваются, вызывая химическую реакцию с образованием полиуретановой пены, которая наносится во время строительства и, расширяясь, заполняет щели. izolare-spuma.com Самый легкий материал В 1931 году профессор Сэмюэл Кесслер поспорил со своим коллегой Чарльзом Леонидом… о желе! По большей части этот десерт – жидкость, которая заключена в твердый пористый скелет. Спор был о том, можно ли удалить из желе всю жидкость, не повредив при этом твердую часть. При выпаривании возникает проблема: структура геля при высыхании сжимается, так как испаряющаяся жидкость тянет за собой молекулы твердого вещества, разрушая структуру изнутри. Сэмюэл Кесслер решил эту проблему в два этапа. Во-первых, он понял, что одну жидкость внутри геля можно заменить другой, более летучей. Скажем, можно заменить воду спиртом. Затем, если положить гель в камеру высокого давления, молекулы вещества потеряют связи. И после сброса давления останется лишь твердый скелет с крошечными порами – аэрогель: твердое вещество, на 99 % состоящее из воздуха. Первые такие материалы изготавливали из оксида кремния. Но они оказались очень хрупкими и рассыпались чуть ли не от прикосновения. Около 30 лет назад появились первые полимерные аэрогели. Для их производства использовали фенол-альдегидные смолы; вы встречались с ними, если хоть раз играли в бильярд или в шахматы: инвентарь для этих игр чаще всего делают именно из этого материала. Получившийся аэрогель оказался невероятно прочным: небольшой цилиндр радиусом 1 см и массой 1 г вполне может выдержать вес мотоцикла. Структуру аэрогеля можно сравнить с тем же пенопластом, разве что его перегородки толщиной всего 2–3 нанометра, а диаметр пор меньше, чем средняя длина свободного пробега молекул воздуха, то есть газ в аэрогеле находится практически в статичном положении, благодаря чему тепло не рассеивается. Огромное количество пор сводит любое тепловое излучение к минимуму. Наглядный эксперимент с полимерным аэрогелем: на пластинку шириной всего 1 см поставили фигурку из шоколада, а прямо под ней зажгли горелку. Как вы думаете, как быстро расплавится десерт? На снимке с тепловизора видно, насколько горячо внизу: температура около 600 градусов. А с другой стороны – аэрогель лишь чуть теплый. Шоколадный кролик продержался 6 минут и начал плавиться от тепла, которое обогнуло аэрогель. Сам материал с верхней стороны так и не нагрелся. Теплпроводные свойства аэрогеля применяют в авиации и космической промышленности, для теплоизоляции газопроводов. Для того чтобы использовать его в быту в чистом виде, материал все еще слишком дорогостоящий. Но его научились напылять на различные основы из нетканого полотна, что позволило создать новое поколение строительных термопанелей. За тысячи лет теплоизоляция прошла путь от природных материалов до высокотехнологичных веществ, синтезированных в лабораторных условиях. И каждый год в мире появляются полимеры со все более невероятными свойствами, которые в будущем, возможно, будут сохранять тепло и в вашем доме.