artyom_ferrier (artyom_ferrier) wrote,
artyom_ferrier
artyom_ferrier

Categories:

Как работает яхчал

Коль уж была затронута намедни тема яхчалов (без сомнения, очень интересное достижение древнеперсидской инженерной мысли), а также доступности льда оттуда для египетских фараонов, я решил разобраться. Поскольку, со всей очевидностью, устройство, способное создавать лёд при температуре «за бортом» порядка сорока градусов тепла жары и безо всякого потребления электричества, востребовано не только в Древней Персии. Более того, при таком замечательном устройстве — будет сомнительна востребованность холодильников и кондиционеров нашего менее совершенного вида, которые таки жрут электричество. И никакая «холодильная мафия», естественно, не помешала бы повсеместному внедрению этого устройства, известного, как говорят, с четвёртого века до н.э. Поэтому, как говорится, so, what's the catch?

В общих чертах разобрался, кажется, и попытался изложить, как я понял, что именно он делает, этот яхчал (и бадгир) — и за счёт чего. Но поскольку я не физик — конечно, мои рассуждения будут звучать не очень академично. Зато — без политики на сей раз. Воздержимся от высказываний вроде «Ну и что, Дарий, помогли тебе твои яхчалы при Гавгамелах?» Серьёзно, персы молодцы, что научились делать такие штуки. Равно как и «бадгиры», ветровые ловушки, и «канаты», подземные водопроводы с гор. А это, в общем-то, связанные сооружения. Да, когда-то персы были весьма цивилизованной нацией.

В статьях, посвящённых этой теме, как мне показалось, дело описывается несколько сумбурно, а порою и противоречиво. Там можно узнать, что яхчал представляет собой этакий конусный купол с толстыми (до двух метров) стенами из специального состава на основе глины с очень низкой теплопроводностью. Говорится, что в яму под этим куполом закладывают лёд, который либо приносят с гор, либо запасают холодными ночами, либо же лёд сам собой образуется там зимой и сохраняется на протяжении лета.

Подумалось: ну, понятно. Да, очень продуманный, очень высокотехнологичный по тем временам термостат. Но сохранение льда в погребе той или иной конструкции — не редкость во многих культурах. При условии, конечно, что он в принципе образуется в данной местности. Что ж, Иран — это хоть и южная страна, но это нагорье. А по краям — и вовсе горы. Кое-где — довольно высокие. Конечно, там бывает лёд. И суточные перепады температур бывают значительные. Ну а когда лёд в принципе имеется в пределах досягаемости — можно его запасти и сохранить.

Однако ж, оказалось интересней. Ибо в тех же статьях утверждается, что часто этот купол, яхчал, оборудован также ветровой ловушкой, «бадгиром». Которая представляет собой этакий вертикальный короб высотой от десятка метров с выходами наверху на разные стороны и заслонками-перегородками. И утверждается, что он, «перераспределяя тепло вверх, позволяет с лёгкостью доводить температуру внизу до замерзания».

Тут, конечно, задумываешься. Ну, если реально с такой лёгкостью это устройство позволяет ронять температуру внизу до нуля — то зачем тогда эти пляски с бубном, в смысле, со льдом, который то ли приносят с гор, то ли заготавливают холодными ночами в специально оборудованных бассейнах, на теневой стороне перегородки?

Нет, понятно, что можно добиться от ветров максимальной прохлады, управляя их потоками, поступающими внутрь. Особенно, когда имеется выраженная и стабильная роза ветров со значительным контрастом между тёплыми и холодными потоками. Ну, скажем, когда ночью дует холодный ветер с гор, а днём — тёплый из пустыни. Тогда, конечно, удобно «отлавливать» нужный холодный ветер, пропускать его по сооружению так, чтобы его прохладу «впитывали» стены, а когда дует тёплый ветер — его не пускают внутрь, не позволяют обдувать стены с той же эффективностью, и они сохраняют накопленную за ночь прохладу.

Но эта максимальная прохлада - в обычных условиях никак не может быть прохладнее самого прохладного из ветров.

Скажем, вот у нас есть некая поверхность, температурой тридцать градусов Цельсия, и мы направляем на неё ветер, поток воздуха, имеющий температуру десять градусов. Да, мы её остудим. Ветер, проносясь над ней, будет немножко нагреваться, а она — будет остужаться. Поскольку система соприкасающихся разнонагретых тел стремится к «уравниловке».

Однако ж, мы не сможем остудить эту поверхность ниже той температуры, которую имеет воздушный поток. То есть, когда эта поверхность достигнет тех же десяти градусов — она взбунтуется. Она скажет: «Да какого чёрта я должна и дальше отдавать своё тепло этому охреневшему от жадности воздушному потоку, когда мы теперь равны?»

То есть, просто так — нельзя создать холод больший, чем был изначально у наихолоднючего из соприкасающихся тел в системе.

Но есть один трюк. Требующий фазового перехода. То есть, из одного агрегатного состояния вещества — в другое. Из жидкости в газ, скажем. В этом случае жидкость, испаряясь, продолжает охлаждаться, не видя подвоха и не понимая несправедливости такого теплообмена. Поскольку при фазовом переходе энергия, отданная другому телу, не влечёт его нагрева. Она фиксируется в «скрытом тепле», в этом структурном преобразовании в более высокоэнергетическое агрегатное состояние, из жидкости в газ (пар), и уносится воздушным потоком.

Таким образом становится возможно охладить часть этой термодинамической системы до температуры ниже той, что изначально имелась в системе. Если заставить жидкость испаряться и уносить пар в другое место. Так, собственно, работают наши обычные холодильники и кондиционеры.

Компрессор сжимает газообразное рабочее тело (аммиак или фреон). Газ при сжатии нагревается, поскольку его молекулы негодуют в ответ на оказанное на них бесцеремонное давление, начинают паниковать и метаться в поисках выхода. Но вместо этого их загоняют в змеевик конденсатора. Поскольку температура этого сжатого газа выше, чем окружающей среды — она отдаётся. А давление сохраняется. Газ заглядывает в справочник и решает: «Кажется, при таком соотношении температуры и давления я должен быть жидкостью». И выпадает в осадок, конденсируется.

Но далее его гонят уже во внутренний объём холодильника, там газ сталкивается с трубками испарителя, и они ему говорят: «Ты чего, с ума сошёл, фреон: быть жидкостью при нормальных-то условиях? Ты должен быть газом. Ты должен испариться. Тебе нужна на это энергия, тебе нужно отдать для этого тепло? Ну, сейчас отдадим, сейчас подогреем». И греют, последнее отдают — но сами мёрзнут. Что, в общем, и требуется.

Однако же, понятное дело, даже величайшие культуры древности не имели таких рабочих тел, как аммиак или фреон. Не говоря уж о компрессорах с электромотором. И электромотор-то - в принципе, можно было бы заменить специально обученными педальными рабами. Но вот из газов — доступен был воздух. Смесь азота и кислорода, преимущественно. Однако же, сжимать воздух так, чтобы он захотел конденсироваться в жидкость — это употеешь педали крутить. Если у аммиака температура кипения -33 градуса, то у азота -196. Есть некоторая разница.

Зато из жидкостей — доступна была вода. Значит, задача состоит в том, чтобы заставить воду испаряться в воздух.

Ну, точка кипения воды, как известно, 100 градусов, но это именно точка фазового полномасштабного перехода, а по чуть-чуть вода испаряется и при гораздо меньших температурах.

Интенсивность процесса зависит от ряда факторов. От температуры жидкости, для начала. Чем ближе к точке кипения — тем, понятно, шустрее она испаряется. Но отдавая энергию вместе с молекулами в пар — охлаждается, а при этом падает и испаряемость.

Значит, если мы хотим довести воду до состояния льда — нам нужно сделать так, чтобы даже очень холодная вода продолжала достаточно интенсивно испаряться в воздух.

Тут полезно понимание, что вот диапазон в сто градусов, при котором вода существует в виде жидкости — он не абсолютный. То есть, не универсальный. Он зависит от давления газа, который находится над той водой. Чем оно меньше — тем охотнее испаряется жидкость. И, скажем, если зайти на какую-нибудь комету, где вода существует в виде льда, а вокруг космический вакуум, и попытаться растопить этот лёд — мы не получим лужицы воды. Она тут же вся в пар уйдёт.

На Земле, конечно, такой жести нет. Но всё равно точка кипения воды зависит от атмосферного давления в конкретно данном месте. Обычные погодные его перепады ещё не очень влияют на скорость закипания чайника (не очень заметно), но вот высота — имеет значение. Чем выше — тем ниже атмосферное давление, поэтому на каком-нибудь Эвересте вода может вскипать уже при 86 градусах.

Иранское нагорье — это, конечно, не Эверест, но всё же такие высоты, которые могут иметь значение. То есть, там воде в принципе вскипать легче, чем на уровне моря. Да и замерзать — тоже. Скажем, на двух километрах лёд образуется не при нуле, а где-то при плюс четырёх градусах. И это кажется пустячком, но реально-то диапазон температур, при которых вода существует как жидкость — поджимается и сверху, и снизу. А это облегчает управление её агрегатными состояниями.

Что ещё имеет значение - «качество» воздуха, который можно использовать для наших холодильных экспериментов. По его насыщенности влагой.

Вот известно, что чем теплее воздух — тем больше он может вобрать в себя влаги. Потому что он лёгкий, у него меньше давление, вода охотнее в него испаряется.

Но отсюда же следует, что очень тёплый и очень сухой воздух — это немножко аномальное явление. Ибо когда он тёплый — ему достаточно хоть где-то встретить воду, она в него испарится, он насытится ею, перестанет быть сухим.

Однако же, могут быть такие природные условия, чтобы воздух, присутствующий в них, был и тёплым, и сухим. Скажем, пустынная местность, окружённая горами. Изначально влажные воздушные потоки вымораживаются, переваливая через горы, отдают воду осадками, а попадая в пустыню — разогреваются от песка, но не насыщаются влагой, как было бы пристойно их температуре, поскольку там просто нет влаги.

Вот так получается очень сухой и очень горячий воздух.

Что с ним делали хитрые древние персы?

Во-первых, они наловчились подводить воду туда, где её обычно нет. Строили «канаты» - подземные водопроводы с гор. Некоторые — протяжённостью в десятки километров.

А далее — они уже могли натравливать этот исключительно сухой и жаркий воздух на подведённую воду. Понятно, эта вода с гор практически ледяная, она бы не очень охотно испарялась в обычный воздух, но на неё набрасывался необычный, страстно жаждущий хоть какой-то влаги.

Он кричал в порыве страсти: «Вода, у меня температура сорок градусов, мне положено иметь граммов пятьдесят пара на куб, как в джунглях, а у меня — вообще по нулям! Начинай уже отдаваться мне своими молекулами!»

Серьёзно же, такой сухой и жаркий воздух — просто очень лёгкий, имеет очень низкое давление. Поэтому даже очень холодная вода — испаряется в него, сама при этом остывая ещё больше вплоть до ледяного состояния.

Тут возникает вопрос, как обеспечить постоянный приток этого сухого и жаркого воздуха. То есть, как отводить тот, который уже набрался воды и замещать новым «жаждущим». Это кажется сложной задачей, поскольку увлажнённый (и охлаждённый воздух) тяжелее сухого и жаркого. А значит, стремится вниз, вовсе не желая никуда уходить.

Но есть трюк, позволяющий сделать так, чтобы именно тяжесть этого воздуха заставляла его подниматься, как ни парадоксально. Для этого делается труба той или иной формы, и поскольку она приподнята над поверхностью, давление на её вершине хоть немножко — но ниже, чем у земли. Создаётся эффект тяги, когда снизу напирает увлажнённый, охлаждённый и тяжёлый воздух, а наверху — сухой, жаркий и лёгкий.

Этот эффект усугубляется тем, что труба (хотя бы её часть) размещается не внутри строения, а снаружи, так, что её стенки днём нагреваются нещадно палящим солнцем. Которое выступает, можно сказать, аналогом печки, которая тоже создаёт тягу, нагревая воздух в трубе, делая его легче. Он стремится вверх, а более тяжёлый воздух на уровне земли — всасывается.

Ну и понятно, чтобы этот эффект был заметнее и охладитель работал — входное отверстие на уровне земли ориентируют в сторону превалирующего в данной местности ветра, а выходное на вершине трубы — наоборот, чтоб туда не задувало.

И вот так получается возможным, не прилагая дополнительной энергии, а употребляя только более-менее постоянно действующие силы природы, дуть на воду, вызывая её испарение и охлаждение.

Но эффективность такого холодильника — зависит прежде всего от состояния входящего воздуха. Чтобы добиться существенного результата, вплоть до замерзания воды, — нужно, чтобы он был очень сухой и лёгкий. Только тогда он будет брать влагу даже из такой воды, которая близка к точке замерзания.

Такой воздух и есть в Иране. В некоторых местах, во всяком случае. Вот, например, смотрим погоду в городе Йезд, который особенно славен своими яхчалами и бадгирами. Температура +29, давление 652 миллиметра, относительная влажность 14 процентов.

Вы часто слышите такие цифры в прогнозе погоды? Ну, вообще-то, нормальное давление на уровне моря — 760 миллиметров (собственно, одна атмосфера). А тут — аж на сотню меньше. Ну и влажность 14 процентов — аномально низкая. Это означает, что воздух сумел набрать только одну седьмую той влаги, которую мог бы удержать при такой температуре. Но ему просто не дали этой воды. Естественно, если дать — начнёт зверски вытягивать из неё молекулы. Но для начала нужно, чтобы воздух был именно такой, специально подготовленный. Что и происходит, когда сначала поток избавляется от влаги, переваливая через горы, а потом — прогревается пустыней.

Для сравнения, посмотрим, как там в Египте, где тоже есть пустыни.

Каир (он недалеко от древнего Мемфиса, где ютились фараоны). Давление 752 (вполне привычное и для нас), влажность — 35 процентов (для нас в целом маловато, но бывает: сейчас в Москве как раз 37 процентов). Вполне обычные параметры. Очевидно, несмотря на близость пустыни, там не может быть такой экстремально низкой влажности, как в Йезде, поскольку всё-таки Нил рядом расползается рукавами своей дельты, парит активно, да и море не отгорожено горами.

Соответственно, холодильник испарительного типа — будет далеко не так эффективен.

Честно, я вряд ли сподоблюсь провести расчёт того, сколько нужно рабов, чтобы «дуть» на воду воздухом с 35-процентной влажностью и чтобы, при давлении в 750 миллиметров, эта вода, испаряясь, охладилась до льда. Но, со всей очевидностью, это должны быть существенно более высокие рабоэнергозатраты, чем при влажности 14 процентов и давлении 650.

Поэтому в природных условиях, отличных от Иранского нагорья, нельзя достичь значительного холодильного эффекта, не гоняя воздух мощными вентиляторами, а довольствуясь постоянно действующими силами природы (ветер, нагрев вытяжной трубы солнцем).

Строго говоря, и не во всех местах Иранского нагорья существуют такие уникальные природные условия и может так эффективно действовать испарительный холодильник. Иначе бы, наверное, они вовсе не морочились заготовкой льда для закладки в яхчал, а создавали его на месте, в «автоматическом» режиме. Но вот иногда — им удавалось только замедлять таяние, поддерживать холод, а не прибавлять его.

Поэтому, когда говорят, что с помощью иранского бадгира можно «запросто» выморозить кубатуру внизу здания или хранилища, отводя тепло наверх — это не следует понимать так, что древние персы сумели приручить универсально применимого Демона Максвелла и заставить его работать на себя под угрозой лютых кар. В действительности, известно, что, как бы ни были они суровы, но на силы природы их кары не действовали вне персидской юрисдикции. Вот Ксеркс как-то попробовал высечь море за то, что устроило ему шторм, помешавший переправе в Грецию — но море послушнее не стало.

Но, конечно, и безо всякой физики, а просто с точки зрения здравого смысла понятно, что если бы такой удобный и практичный испарительный холодильник мог действовать с похожей эффективностью где-то, кроме некоторых мест Иранского нагорья — то этого «Демона Максвелла» давно бы стырили у персов (Александр и не такое себе позволял) и внедрили бы повсеместно. Ибо — ну кому ж не хочется всегда иметь свежую охлаждённую рыбку или мясо, не боясь за их сохранность в летний зной?

Тем не менее, другим цивилизациям приходилось выкручиваться как-то по-другому, оборудуя ледники. При условии, конечно, что у них в принципе появлялся лёд хоть где-то, хоть когда-то. Если говорить конкретно про Египет — там не то, чтобы очень снежные зимы. Не в каждом десятилетии, во всяком случае. Что же до гор — то вот ближайшие на Синае, и там бывают иногда заморозки, но, боюсь, фараону не успели бы донести кубик льда для коктейля.

В Иране же не только существовали достаточно надёжные источники льда в пределах досягаемости, но и был под рукой исключительно сухой воздух, годный для создания испарительного холодильника даже при тогдашнем уровне технологий и энерговооружённости. Но и само существование этого воздуха — было следствием наличия источников льда поблизости. Вот тех гор, об которые вымораживались воздушные потоки перед тем, как зайти на пустынное плато. И тут важно, что они со всех сторон прикрывали пустыню от влажных ветров с разных морей. Если б не прикрывали — не было б пустыни, in the first place.

Поэтому следует, наверное, признать печальную правду о жизни египетских фараонов. В отличие от персидских царей, они не могли себе позволить кубик льда для коктейля в разгар летнего зноя. Но завоевание Египта Персией обусловлено было не только этой причиной.

Tags: история, технологии
Subscribe

  • Украина, Россия и Чехов

    Многие сейчас всерьёз приморочились будто бы неминуемым обострением российско-украинского конфликта. Иные эксперты уж инструкции публикуют, как…

  • Байден, Зеленский, Путин

    Разговор Байдена с Зеленским длился целый час. Правда, двадцать минут из этого времени президент США вспоминал, кто такой Владимир Зеленский, и ещё…

  • Кортес и мы

    Виконт Алексей Артёмович сызмальства любит посматривать исторические кинцы. Что художественные, что документалки. И просто любознательность —…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 11 comments

  • Украина, Россия и Чехов

    Многие сейчас всерьёз приморочились будто бы неминуемым обострением российско-украинского конфликта. Иные эксперты уж инструкции публикуют, как…

  • Байден, Зеленский, Путин

    Разговор Байдена с Зеленским длился целый час. Правда, двадцать минут из этого времени президент США вспоминал, кто такой Владимир Зеленский, и ещё…

  • Кортес и мы

    Виконт Алексей Артёмович сызмальства любит посматривать исторические кинцы. Что художественные, что документалки. И просто любознательность —…