Молекулы-непоседы

Если вещество устроено из мельчайших частиц, то как они себя ведут? Может быть, они неподвижны друг относительно друга? Или же как-то движутся? Заметить непосредственно то или иное мы не можем. Но вот подсказать нам, что происходит внутри вещества, оказывается, есть чему.

В начале прошлого века английский ботаник Роберт Броун был очень удивлен, взглянул в обычный микроскоп на цветочную пыльцу, насыпанную в воду. Частички пыльцы словно плясали в воде. Хотя сами они необычайно малы, их размеры около тысячных долей миллиметра, говорить о них как о самых мельчайших частицах вещества еще нельзя. Но если представить, что «пляска» пыльцы вызывается ударами еще более малых частиц молекул воды, то ее поведение вполне объяснимо.

Может быть, вы видели, как во время концертов со сцены бросают в зал большие надувные шары. Зрители стремятся ударить по шару, но никто не может предсказать, куда в каждый момент он направится. В результате мы наблюдаем его беспорядочное, или, как еще говорят, хаотическое движение по всему залу. Понятно, что оно определяется такими же беспорядочными толчками зрителей. Замените теперь их на молекулы, а шар на частичку пыльцы, и вот у вас модель движения молекулы.

Итак, внутри вещества его мельчайшие крупинки-молекулы непрерывно, хотя и беспорядочно, движутся. Это движение будет тем интенсивнее, чем сильнее нагрето вещество, поэтому его называют тепловым. Такая связь позволила в дальнейшем объяснить, что такое температура.

Три царства состояний вещества

В каких состояниях может быть вещество? Ну, тут достаточно его «пощупать». Это пусть очень простой, но тоже опыт. Каковы же результаты? Мы говорим: все тела могут быть в твердом, жидком и газообразном состояниях. Их еще называют агрегатными. Интересно, что одно вещество может бывать в каждом из этих состояний, причем, случается, и одновременно.

Ну, вот вода. Если вы вытащите из морозильника кусочек льда и опустите в стакан с содой, то сразу обнаружите все 3 состояния одного и того же вещества. Лед – это «твердая», замерзшая вода. Плавает он в воде жидкой. А над стаканом вода находится в невидимом, газообразном состоянии, это ее пары. Выявить пары нетрудно: на холодном зеркальце, поднесенном к стакану, вы скоро заметите туманный налет, состоящий из крохотных капелек. Это не что иное, как сгустившиеся, или сконденсированные из воздуха водяные пары.

Чем отличаются эти состояния вещества друг от друга? Обратимся за объяснениями к молекулярно-кинетической теории. Она скажет нам, что одни и те же «по сорту» молекулы, например, воды, просто по-разному взаимодействуют между собой.

В твердом теле, во льду, они очень плотно «упакованы», остро «ощущают» присутствие соседей и в своих движениях сильно ограничены. Поэтому и двигаться они могут, практически не сходя с места, то есть колеблются. Вот почему твердое тело хорошо сохраняет свою форму и объем.

В жидкостях молекулы чувствуют себя свободнее. Помимо колебаний, они еще очень часто перескакивают с места на место. Уплотнить их практически нельзя, а вот перемешать легко. Из-за этого жидкости текут и принимают форму сосуда, в который мы их нальем.

А вот в газах связи между молекулами становятся настолько слабыми, что они теперь могут носиться с огромными (сотни метров в секунду) скоростями и на больших расстояниях друг от друга. Поэтому газы и занимают весь предоставленный им объем, хотя могут быть легко сжаты.

Как проникают вещества друг в друга?

Поставьте такой эксперимент. В темную комнату, где вы сидите спиной к двери и заткнув уши, попросите войти по очереди двух человек. Пусть это будут ваши приятели мальчик и девочка. Одно условие: девочка должна быть надушена. Через несколько минут после прихода каждого вы угадаете, кто именно вошел.

Ну, и что же тут особенного, спросите вы? Конечно, девочку «выдали» духи. Но вот вопрос: как они добрались до вашего носа? Пожалуй, зная о молекулярном строении вещества, и тут ответить нетрудно. Молекулы духов, вылетая в воздух, умудряются очень быстро проскочить между его молекулами и распространиться по всей комнате. Разреженность газов и большие скорости молекул обеспечивают это явление, называемое диффузией.

А может ли она наблюдаться в жидкостях? Почему бы и нет, ведь в них молекулы, хотя расположены и плотно, но весьма подвижны. Вот, скажем, осьминог, пытаясь удрать от преследователя, выпускает в воду облако чернильной жидкости. Оно очень быстро растет, создавая будто дымовую завесу. А ведь оно как раз пример диффузии, то есть взаимного проникновения жидкостей друг в друга.

Удивительно, но диффузия может происходить и в твердых телах. Хотя намного медленнее, чем в жидкостях и газах. Ее можно, правда, убыстрить, повышая температуру.

Именно диффузия обеспечивает соединение металлов при пайке или сварке. Однако и при обычной температуре тепловое движение молекул приводит к их перемешиванию. Но длительность этого процесса не позволяла его обнаружить, и такую диффузию впервые наблюдали лишь в конце прошлого века.

Отчего «разбухают» тела?

Наверное, вам чуть ли не с детского сада известно, что при нагревании тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. Эту способность тел менять свои размеры в зависимости от температуры люди научились использовать или учитывать давно. Например, железную шину насаживали на колесо телеги, когда она была раскалена. Шина, остывая, туго стягивала колесо. Или посмотрите на колею железной дороги. Между отдельными отрезками рельсов оставляют промежутки для их возможного теплового расширения.

Это явление оказалось очень полезным при измерении температуры. Если к концу металлической пластинки приделать стрелку, то она, меняя свое положение при нагреве и охлаждении пластинки, укажет, какова ее температура. Может быть, в духовках ваших кухонных плит есть термометр, сделанный из металлических пружин? Если он вынимается, рассмотрите, как он устроен.

Более удобными для этой цели оказались жидкости. Скажем, в медицинских и комнатных термометрах применяют подкрашенный спирт или ртуть. Расширяясь при нагревании, они поднимаются вверх по узким трубочкам, вдоль которых наносят деления температурной шкалы.

Есть и газовые термометры, использующие тот же эффект. Но во всех случаях расширения тел мы можем обратиться за помощью к молекулярной теории, чтобы разобраться с этим явлением. И здесь мы получим почти очевидный ответ. С ростом температуры молекулы становятся более подвижными, и им требуется больше места. Расстояние между молекулами растет, а мы это замечаем как увеличение общего объема тела.

Представьте себе танцевальный зал. Сколько в нем может уместиться человек? Если запускать их в зал по одному и плотно приставлять друг к другу, то туда набьется людей, как «сельдей в бочке». Но если вы попросите их потанцевать, в такой тесноте вряд ли что-нибудь выйдет. Чем зажигательнее танец, тем меньше народу останется в зале – остальным придется покинуть помещение. Произошло как бы «тепловое расширение» танцующей публики, и часть ее вытеснилась наружу.

Как плавятся металлы и замерзает вода?

Что происходит, когда плавится металл? Первое, о чем мы можем сказать, очень наглядно. Был твердый кусочек, а превратился в жидкость. Но ведь это – одно и то же вещество, скажем, олово. Его, кстати, очень легко «растопить», нагревая в железной ложке или паяльником. Что же все-таки привело к такой внешней перемене в металле?

Если обратиться к идее о «зернистой» структуре вещества, то можно будет ответить так. Плотно пригнанные друг к другу мельчайшие частички – атомы олова – при нагревании все интенсивнее двигались. В какой-то момент (у каждого вещества свой) им уже не хватило места для «суеты» друг около друга. Иначе говорят, что тесные связи между атомами разорвались. Атомы получили возможность не только колебаться на местах, но и кружиться друг относительно друга. А это – уже поведение мельчайших частичек жидкости.

В каком-то смысле это явление походит на взвод солдат, стоящий по стойке «смирно». Каждый из воинов не меняет своего положения относительно соседей, но ведь при этом он дышит, моргает глазами и, если захочет, может пошевелить ушами. Согласитесь, что от таких движений строй не нарушится. Прозвучала команда «вольно». Солдаты стали переминаться с ноги на ногу, поворачиваться, меняться местами. Разве это не напоминает поведение атомов при плавлении металла?

Генри Бессемер (1813—1898) – английский изобретатель. Предложил усовершенствовать тяжелый артиллерийский снаряд, для чего потребовался более быстрый и дешевый способ получения литой стали. Создал метод, по которому сталь переделывается из чугуна продувкой воздуха, чем снизил стоимость металла в несколько раз.

Подобный процесс происходит, когда взводу (или олову) прикажут вновь стать по стойке «смирно». Только такой приказ «прозвучит» для атомов тогда, когда расплавленный металл начнут охлаждать. Особенности перестройки атомов при плавлении и кристаллизации – возвращении в твердое состояние – необходимо учитывать, скажем, при литье металлов. Как правило, объем твердого вещества меньше, чем его же в жидком состоянии. Это надо знать при подготовке форм для литья.

А вот у воды – наоборот. Превращаясь в лед, она расширяется. Представьте, что было бы, если бы лед не всплывал, а тонул. Все дело в том, что при кристаллизации воды происходит необычная перегруппировка ее молекул. И хотя строение льда выглядит более упорядоченным, его объем возрастает, он становится более «рыхлым». При этом, если льду препятствовать при расширении, возникают огромные силы. Так разрываются замерзшие трубы водяного отопления или трескается стеклянная бутыль с водой, оставленная на морозе.

Отчего, испаряясь, вода холодит?

Что вы чувствуете, когда даже в жаркий день выходите, искупавшись, из воды? Бывает, особенно в ветреную погоду, что, как говорят, мороз по коже, даже пупырышками покрываемся. Почему же мы мерзнем?

Еще малюсенький опыт. Капните на ладонь воды и подуйте на нее. Ощутили холодок? Ясно, что дело в испарении воды. Превращаясь в пар, она отбирает у нас тепло. Похожие вещи творятся в чайнике с кипящей водой. Ведь если бы мы постоянно ее не подогревали, образующийся пар отнял бы у воды теплоту и охладил бы ее.

Эти примеры показывают, что на испарение требуется энергия. Превращаясь в газ, жидкость либо охлаждается, либо поддерживает свою температуру, отбирая энергию-теплоту у окружающих тел.

Обратный процесс – конденсация – должен тогда, напротив, приводить к выделению теплоты. Так, скажем, нагревается зеркальце, подставленное под струю пара из носика чайника. Осевшие на зеркальце капельки воды приведут к его нагреву. Похожий процесс мы наблюдаем, когда выпадает первый снег. Как правило, в это время происходит потепление.

А как объясняет эти явления молекулярно-кинетическая теория? Она нарисует картину, в которой испарение предстанет как уход самых быстрых молекул из жидкости в воздух. Оставшиеся же, если не передать энергии извне, будут двигаться все медленнее.

Необходимо помнить, что испарение и кипение – вовсе не одно и то же. Об этом говорит хотя бы то, что испарение, например, воды происходит при любой температуре. Испаряться может даже лед, иначе белье не сохло бы на морозе. А вот кипит вода, как вы знаете, лишь при 100 градусах. Причем у каждой жидкости кипение, то есть бурное выделение пузырьков, начинается при своей определенной температуре. И плавление, кстати, также происходит у каждого вещества в свой срок – лишь когда его температура достигнет определенной величины.

Почему выпадает роса?

Почему в сводках погоды, помимо давления и температуры, нам еще часто сообщают о влажности? Многие люди порой даже переезжают из одного района в другой, жалуясь на очень сырой, либо, наоборот, очень сухой климат. И вы, наверное, замечали, как меняется ваше самочувствие, если воздух сух или влажен.

Влажность – это наличие в воздухе паров воды. Водяной пар, как и воздух, невидим, и на глаз определить, много его там или мало, нельзя. Но вот если вы положите рядом два термометра, один из которых наполовину прикрыт мокрой тряпочкой, то заметите, что через некоторое время показания «мокрого» термометра стали меньше. Недолго думая, вы скажете, что причина этого в испаряющейся воде. Однако понаблюдайте подольше за термометрами и вы обнаружите интересную зависимость.

В те дни, когда воздух насыщен влагой, очень сырой, термометры покажут почти одну и ту же температуру. А вот когда подолгу не льют дожди, и воздух сух, испарение воды идет интенсивнее и «мокрый» термометр покажет значительно меньшую температуру, чем сухой. Значит, дело в том, что влажный воздух, как говорят, более насыщен парами воды. И когда это насыщение достигнет предела, своего для каждой температуры, насыщаться ему дальше будет некуда. Что же тогда произойдет? Вы правы, начнется обратный процесс – конденсация.

Вот почему, кстати, у облаков бывают плоские «днища». Теплый воздух, поднимаясь вверх, уносит с собой невидимые пары воды. По мере подъема температура падает, на какой-то высоте пары становятся насыщенными и начинают конденсироваться в капельки. Отсюда и «начинается» облако.

Или еще пример, уже на земле. Когда выпадает роса? Тогда, когда температура воздуха падает, а это происходит в самое холодное время суток – ночью или рано утром. В этот момент пары становятся насыщенными, и на почве, на листьях растений, на перилах лестниц мы обнаружим капельки – росу. Это состояние называют стопроцентной влажностью. Понятно, что при потеплении роса испарится, а влажность станет меньше.

Чтобы поддержать в домах или при путешествиях – в автобусах и вагонах – комфортные температуру и влажность, человек изобрел кондиционеры и увлажнители воздуха.

Можно ли воду носить в решете?

Одни из вас, вспомнив известную пословицу, тут же скажут: нет, нельзя! Другие, вспомнив известный опыт, сразу воскликнут: да, можно! Что же это за опыт?

Наверное, у каждого на кухне найдется сито для просеивания муки. Попробуйте им зачерпнуть воды. Ясное дело, ничего не выйдет – на то оно и сито-решето. А вот если на мгновение погрузить его в жидкий парафин от свечи, только так, чтобы парафин не затянул дырочки насовсем, то такое сито носить воду сможет. Наливать ее в сито надо очень аккуратно, и тогда можно перенести заметное ее количество.

Почему же теперь вода не выливается? Если посмотреть снизу на наше сито, то можно заметить, что в каждой дырочке словно набухла капля, вода «выгнулась». Не напоминает ли это вам каплю, висящую на кончике пипетки? В обоих случаях кажется, что вода находится как бы в мешочке, в пленке. Еще такую пленку можно обнаружить, когда вы по капле добавляете воду в уже наполненный доверху стакан. Вода словно взбухает, «выгибается» вверх, но довольно долго через край не переливается.

Еще один опыт. Повращав между пальцами маленькую стальную иголку, осторожно положите ее на поверхность воды – не потонет! Взглянув сбоку, можно заметить прогиб водяной пленки под иглой. Еще водомерки скользят по лужам и не тонут. Еще… Стоп!

Оказалось, что опытов и наблюдений над водяной пленкой – множество. Что же это за свойство воды? Молекулярное строение вещества подскажет нам, что на поверхности не только воды, но и всякой жидкости мельчайшие их частички взаимодействуют по-иному, нежели внутри. Они как бы стремятся уйти в середину, придать поверхности форму с самой маленькой площадью, натянуть на жидкость «пленку». Вот почему в невесомости вода собирается в шарики. Такая форма жидкости соответствует минимальной площади ее поверхности.

Что тянет воду вверх?

Вы не раз замечали, как в тоненьких «соломинках» – пластмассовых трубочках, из которых вы тянете коктейли или соки, – застревает жидкость. И чтобы от нее освободиться, надо «соломинку» встряхнуть или продуть ее. Что же мешает соку или воде самостоятельно вытечь из соломинки?

Если очень внимательно посмотреть на края поверхности воды в неполном стакане, то можно сказать, что они, изогнувшись, будто натянулись на стенки. Однако, если внутренние стенки стакана смазать жиром, то поверхность у краев станет не вогнутой, а выпуклой, словно подожмется.

Отчего так ведет себя вода? Видимо, ее молекулы в одних случаях сильнее тянутся к молекулам вещества стенки, чем друг к другу, а в другом – наоборот, как бы отталкиваются от стенки. Это хорошо заметно, когда пипеткой выдавливают одну каплю воды на чистое стекло, а другую – на загрязненное, масляное. Первая капелька буквально распластается по стеклу, «притянется»; вторая – «подожмется», сохраняя форму, близкую к шарику. Говорят, что чистое стекло смачивается водой, а загрязненное – нет.

Вот и получается, что смачивающая стенки узкой трубочки вода потянется по ним вверх. А, скажем, не смачивающая стеклянную трубочку ртуть опустится в ней вниз при погружении трубочки в сосуд со ртутью.

Такие явления получили название капиллярных. По тонким трубочкам-капиллярам поднимаются из земли «соки» в деревьях. По капиллярам просачивается наружу вода из почвы. И даже бумага промокает потому, что в ее мельчайшие поры – капиллярчики – втягивается вода.

Где тепло, а где – температура?

Чем теплота отличается от температуры? Если мы говорим, что у одного тела более высокая температура, чем у другого, то чаще понимаем это как различные затраты тепла, пошедшие на их нагрев. Поэтому нередко эти понятия путаются или их считают одним и тем же. Но это не так.

Действительно, чтобы раскалить, например, железный гвоздь, нам надо привести его в соприкосновение с более горячим телом. Скажем, поместить в пламя горелки. Но разве пламя передает гвоздю свою температуру?

Оно отдает ему часть своей энергии, иначе говоря, передает теплоту. А вот получая ее, гвоздь нагревается, то есть увеличивает свою температуру.

Это различие было бы особенно заметно, если мы пытались бы накалить гвоздь двумя способами: один раз – паяльной лампой, другой – спичками с той же температурой пламени. Очевидно, что в первом случае гвоздь дошел бы до температуры «белого каления» быстрее, чем во втором. Значит, при одной и той же температуре в пламени лампы и спички ему дольше бы передавалось необходимое для нагрева количество теплоты.

Джеймс Джоуль (1818—1889) – английский физик. Занимался исследованиями теплоты, газов, электромагнетизма. Установил закон о выделении тепла в проводнике с электрическим током. Вычислил скорость движения молекул газа, построил одну из температурных шкал. Вошел в историю науки как один из первооткрывателей закона сохранения энергии, дав ему опытное подтверждение.

Обращаясь к молекулярной теории, можно сказать, что при нагревании увеличивается энергия движения молекул. А при охлаждении она теряется, передается другим телам. Температура же говорит о том, насколько велика энергия не всех вместе, а каждой молекулы.

Поэтому два горячих тела, имея одну и ту же температуру, передавать тепло друг другу не будут. То же самое произойдет и с одинаково нагретыми, но более холодными телами. Про них тогда говорят, что они находятся в тепловом равновесии.

Хороший пример, поясняющий сказанное – набор воды в ванну. Вы подливаете то холодной, то горячей воды, добиваясь нужной вам температуры. При этом вы каждый раз передаете воде в ванне порцию тепловой энергии, то большую, то меньшую по величине. А температура воды в ванне при этом может то расти, то убывать. Значит, энергия в виде передачи тепла ванне только растет, а температура воды может «плясать» вверх-вниз. Так что, как видите, теплота и температура – отнюдь не одинаковые понятия.

Сколько всего температур?

Представьте, что термометр, которым вы хотите измерить свою температуру, оказался таким же по размерам, как и вы сами. Быстро ли тогда вы можете получить ответ? Наверное, потребуется не 5 минут, как обычно, а, может быть, часы. Ведь чтобы дать верные показания, термометру необходимо прогреться.

Или еще пример. Попробуйте измерить температуру капельки теплой воды вашим домашним медицинским термометром. Пока он, нагреваясь, достигнет постоянных показаний, капля воды настолько охладится, что мы фактически измерим совсем не то, что нам нужно.

Получается, что измерение температуры имеет смысл лишь тогда, когда тела перестали обмениваться теплом, то есть пришли в тепловое равновесие. Когда вы, например, случайно схватили горячую сковороду, стоящую на плите, то сразу почувствовали разницу в температурах. А вот, опуская руку в теплую воду, имеющую ту же температуру, что и ваше тело, вы ее просто не заметите.

Наверное, теперь ясно, почему термометры такие разные. Маленькие, медицинские – для измерения температуры нашего тела. Или огромные – для измерения температуры воздуха на улицах либо воды в бассейнах.

А в каких единицах меряют температуру? Самая привычная для нас – шкала Цельсия, где один градус означает сотую долю от разницы температур между таящим льдом и кипящей водой. Но есть и другие шкалы, и другие градусы. Вы, возможно, слышали о шкале Фаренгейта, которой пользуются в США. По этой шкале вода замерзает при 32 градусах, а кипит при 212. Когда-то у нас была популярна шкала Реомюра, градус которой «потолще», чем у Цельсия. В науке же сегодня основной является шкала Кельвина, или абсолютная шкала температур. Ее градус равен градусу Цельсия, но отсчет по ней начинается значительно ниже температуры замерзающей воды.

Что такое излучение и конвекция?

Передать тепло друг другу окружающие нас предметы могут не только при прямом контакте. Есть и посредники. К примеру, застоявшийся в непроветренной и неотапливаемой комнате воздух расположится как бы слоями. Внизу – самый холодный слой, вверху – самый теплый. И чтобы перенести тепло от потолка к полу, нужно воздух перемешать. А если поставить нагреватель, то воздух начнет циркулировать, менять местами, смешивать теплые и холодные слои. Это явление называется конвекцией.

А как вы думаете, почему чайники делают белыми или серебристыми? Оказывается, что с цветом тела связана его способность принимать или отдавать тепло. Только теперь роль посредника возьмет на себя так называемое тепловое излучение. Летом, вы обратили внимание, предпочитают носить светлую одежду. Она слабее поглощает тепловые лучи. Но вот что интересно – светлые предметы также неохотно их испускают. Поэтому чайник белого цвета будет медленнее остывать, чем темный.

Эти тепловые лучи могут распространяться и в пустоте – так вместе со светом нам передает тепло Солнце. Их вы можете почувствовать даже в отсутствие света. Благодаря такому свойству тепловое излучение «ловят» от невидимых глазом предметов.

Так были обнаружены некоторые несветящиеся на небе звезды, а на земле, построены приборы ночного видения. С их помощью можно различить предметы, температура которых разнится с окружающей средой. Это могут быть нагретые части двигателей машин или люди, прячущиеся в темноте.

Людвиг Больцман (1844–1906) – австрийский физик-теоретик. Его работы посвящены математике, механике, оптике, электромагнетизму. Активный сторонник атомистических взглядов, внес огромный вклад в теорию газов и термодинамику. Открыл закон теплового излучения, экспериментально установленный позже. Идеи этого закона затем использовались при создании квантовой теории. Вывел существование давления света. Противостоял гипотезе тепловой смерти Вселенной.

Есть и специальные ракеты, способные наводиться на источники тепла. Такие ракеты повторяют все маневры преследуемой цели, например, самолета, вертолета или другой ракеты. Их, правда, можно обмануть, отбросив в сторону ложную цель, снабженную тепловым источником.

Как удержать или «сбросить» тепло?

Как быстро тела могут обмениваться теплом? Если в прохладную погоду вы легко одетыми выйдете утром на балкон, то вскоре почувствуете, что озябли. Очевидно, что теперь, собираясь в школу, вы наденете что-нибудь потеплее. Что вы сделали? Не что иное, как предохранили себя от излишней потери тепла. И чем холоднее вокруг, тем более теплую одежду вам придется носить. Но ведь одежда на самом деле не бывает «теплой» или «холодной». Это – лишь наши ощущения, говорящие о том, насколько она препятствует уходу или притоку к нам тепла. Иными словами, хуже или лучше проводит тепло.

Очень плохой проводник тепла – воздух. Поэтому так популярны зимой мех и шерсть. Между их ворсинками и волосками воздух задерживается, и мы словно носим на себе воздушную шубу, мешающую нам терять тепло. Посмотрите на это с другой стороны. Если в мех завернуть кусочек льда, то он в теплой комнате растает медленнее, чем на открытом воздухе. Мех «сохраняет» холод, как раньше хранил тепло. Но теперь ясно, что он просто плохо передает тепло в обоих направлениях.

Все тела различаются по своей теплопроводности. Хорошо передают тепло металлы. Из-за этого серебряная ложка, опущенная в горячий чай, обжигает вас, в отличие от пластмассовой или деревянной. Довольно хороший теплоизолятор – обычная вода. Например, аквалангисты надевают перед погружением увлажненный изнутри костюм. Слой воды между ним и телом не дает организму человека слишком сильно охладиться.

Вопросы теплоизоляции очень важны в технике и быту. Многим машинам нельзя перегреваться, и от них надо быстро отводить излишки тепла. Этого добиваются с помощью водяных или воздушных радиаторов. Наши дома зимой, напротив, необходимо утеплить, то есть применять такие материалы, как пустотелый кирпич, дерево, пористый бетон.

Очень интересный пример – космонавт в открытом космосе или на поверхности Луны. Снаружи – ледяной холод. От него человека защищает внешний костюм. С другой стороны, если совсем не отводить тепло, организм внутри скафандра перегреется. Избыточное тепло удаляет внутренний костюм с водяным охлаждением.

Каковы температурные рекорды?

До каких пор можно понизить температуру? Известны рекорды, «поставленные» природой на Земле. В Якутии на так называемом полюсе холода или в Антарктиде температурa падала почти до 90 градусов ниже нуля по шкале Цельсия. Но абсолютный ли это рекорд? Какова, например, температура на Луне?

Поскольку наука связала понятие температуры с движением мельчайших частиц вещества – молекул, то надо бы сказать так. Есть вещество, есть внутри него движение – есть и температура. А нет вещества, нечему двигаться или молекулы «застыли» на месте – значит температуры нет. А что такое, если чего-то нет, оно отсутствует? Пусто, нуль, причем – абсолютный.

Идея связать отсчет температуры с будто бы подсказанным природой самым нижним ее уровнем принадлежит английскому физику Уильяму Томсону (лорду Кельвину). Так появилась названная абсолютной шкала температур. Нуль этой шкалы равен 273 градусам ниже нуля по шкале Цельсия. При такой температуре движение молекул прекращается, «замирает». Вот каков абсолютный рекорд «холодных» температур!

Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824–1907) – английский физик. Работал во многих областях науки, но более всего известен введением абсолютной температуры и шкалы температур (шкала Кельвина). Установил изменение температуры газа при истечении, что использовалось при получении низких температур. Изучал магнитные свойства кристаллов, сконструировал измерительные приборы высокой чувствительности и универсальный компас. Рассчитал параметры колебательного контура. Его исследования и изобретения содействовали развитию телеграфной связи.

А каков рекорд температур «горячих»? Теперь мы должны сказать, что искать его надо там, где быстрее всего движутся частички вещества. И наш взгляд обратится… к звездам. Действительно, в некоторых из них вещество сжато и разогрето до такой степени, что в самом «нутре» температура достигает десятков миллионов градусов.

Так какова же температура на Луне? Ясно теперь, что можно говорить лишь о веществе на ее поверхности. На солнечной стороне его температура может достигать плюс 125 градусов по Цельсию, а лунной ночью – понижается до минус 160 градусов.

Что дольше всего хранит тепло?

Возможно, вам приходилось слышать о том, что в приморье климат намного мягче, чем в центре континента. А если вы живете в районах, близких к большим водоемам, то могли бы и сами это почувствовать. В чем причина?

Огромные массы воды поглощают тепло и нагреваются заметно медленнее, чем твердые вещества, входящие в состав суши. Но так же долго вода будет и расходовать, отдавать свое тепло, не позволяя прибрежным регионам слишком быстро вступать в зиму.

То есть вода служит как бы тепловым тормозом, сглаживая резкие перепады температур. Эта особенность воды, как видно, сильнейшим образом влияет на климат всей Земли.

Была введена специальная физическая величина, отражающая свойство тел накапливать и хранить тепло. Ее название говорит само за себя – теплоемкость.

Очевидно, что такие вещества, как металлы, остывают и нагреваются быстрее, чем, скажем, стекло или резина. Теплоемкость, конечно, связана с внутренним строением различных тел. Так, у легких металлов она, как правило, велика, а у тяжелых сравнительно мала.

А вот у газов способность поглощать тепло вообще, оказывается, зависит от того, каковы условия нагревания. Если, например, один и тот же газ нагревать сперва в закрытом сосуде, а в другом случае дать ему расширяться, то для повышения его температуры на один градус потребуется разное количество теплоты. Иными словами – его теплоемкость будет различна.

Знание этой характеристики вещества, безусловно, очень важно при проектировании и постройке самых разнообразных тепловых машин, жилых зданий и предприятий.

Аккумуляторы тепла

Может ли сохраняться тепло в холодных телах? Вопрос только на первый взгляд покажется странным. Поразмышляв, вы догадаетесь: речь пойдет о том, что называют топливом. Ведь спички можно зажечь и на морозе. Бензин, керосин, нефть, уголь и газ горят при самых разных температурах. Каким же образом «хранят» они внутри себя тепло, высвобождающееся при горении?

Мы с полным правом можем назвать эти накопления внутренней энергией тела. Когда-то, в незапамятные времена, поглощенная Землей солнечная энергия «впиталась» растущими на ней растениями. Погребенные в дальнейшем под толстыми слоями поздних пород, эти растения трансформировались в жидкое или твердое топливо. Теперь человеку приходится в буквальном смысле лезть под землю, чтобы его оттуда вычерпать или выковырять. По всей планете разбросаны нефтяные вышки, пробурены скважины на суше и на море. Земная твердь испещрена многокилометровыми ходами угольных шахт. Давным-давно, и чем дальше, тем больше, человек добывает горючее для обогрева жилищ и работы машин.

Виды топлива различаются по выделяемой при сгорании накопленной энергии. Скажем, при сгорании килограмма керосина выделяется почти в 5 раз больше тепла, чем у дерева. Вот человек и придумывал различные устройства, чтобы перейти к использованию наиболее теплотворных веществ. К примеру, одни из самых удачных конструкций реактивных двигателей были созданы благодаря применению жидкого топлива.

Несмотря на долгую историю употребления полезных ископаемых в качестве горючего, люди пришли к выводу, что лучше их не сжигать, а перерабатывать в нужные нам вещества. Но тогда надо искать иные источники энергии. И это сейчас – одна из главных наших проблем.

Как заставили работать пар?

Вы поставили на плиту чайник с водой. Прошло 10–15 минут, и чайник закипел. Если какое-то время не выключать плиту, то вода в чайнике окончательно «рассердится» и будет со свистом выталкивать из его носика струю горячего пара. Энергия, с которой вылетает пар, давно навела людей на мысль о создании машины, приводимой им в движение. Это действительно древняя идея, ее использованию около двух тысяч лет. Однако сделать пар реальной движущей силой, вращающей колеса различных машин и станков, удалось лишь в начале XVIII века. Паровая машина, усовершенствованная шотландским изобретателем Джеймсом Уаттом, полностью преобразила промышленность. Уже в 1782 году одна такая машина была способна приводить в движение до 40 ткацких станков.

Джеймс Уатт (1736–1819) – шотландский изобретатель. Исследовал свойства водяного пара. Внеся многие усовершенствования в устройства своих предшественников, создал универсальный паровой двигатель с непрерывным вращением. Сконструировал ряд приборов – ртутный манометр, водомерное стекло, индикатор давления, изобрел копировальные чернила. Ввел первую единицу мощности – лошадиную силу. Современная единица мощности носит его имя – ватт.

В дальнейшем, поставив паровую машину на колеса, человек построил паровоз. Когда паровая машина оказалась на корабле, родился первый пароход. Затем пар стали использовать не только для того, чтобы толкать им поршень в цилиндрах. И передавать это возвратное движение с помощью хитроумных устройств к колесам. Оказалось, что эффективнее направлять горячий пар непосредственно на колеса с лопастями, чем-то напоминающими пропеллеры. Такие агрегаты используют для получения энергии на теплоэлектростанциях.

Джордж Стефенсон (1781—1848) – английский изобретатель. Положил начало паровому железнодорожному транспорту. Создал первые практически пригодные модели паровозов, в том числе знаменитую «Ракету» с усовершенствованным паровым котлом. Построил несколько железных дорог, изменив рельсовый путь при переходе на локомотивную тягу, а также первую дорогу общественного пользования.

Хотя нагревание воды, превращаемой в пар, во всех случаях требует затрат какого-то топлива, ведь при нескольких переходах энергии из одного вида в другой неминуемы потери, паровые турбины до сих пор играют важную роль в энергетике. Но в общем-то низкая эффективность использования пара давно уже заставляет людей искать иные способы превращения тепловой энергии в механическую.

От водяного пара – к газу

Можно ли использовать для работы тепловых машин какой-нибудь другой газ помимо водяного пара? А почему вообще в этом случае мы ведем разговор лишь о газах? Все дело в том, что твердые тела и жидкости, не обладая такой способностью расширяться и сжиматься, как газы, не годились бы для применения в подобных машинах. Поэтому так называемым рабочим телом лучше всего в таких машинах и двигателях было сделать сами газы, образующиеся при сгорании топлива.

Особое внимание в связи с этим обращалось на изучение тепловых свойств различных газов и их смесей. Термодинамика – наука о процессах, происходящих в тепловых машинах, – прежде всего занималась вопросами, связанными с возможностью перехода теплоты в работу. А это и совершалось в тепловых машинах, где ключевую роль играли газы.

Законы, управляющие поведением газов, были достаточно твердо установлены ко времени их массовой «эксплуатации» в тепловых машинах. Но стремление сделать эти машины более мощными, надежными, эффективными словно подталкивало науку к более глубокому изучению их свойств. Выяснилось, что для полного описания газовых процессов нужно как следует разобраться с такими величинами, как их давление, объем и температура. Различные их сочетания словно рисовали картину, которая очень точно могла показать, что будет происходить внутри машины. Тем самым исследователям и практикам словно вручили заветные ключи от почти неисчерпаемых кладовых тепловой энергии. Триумфальное шествие от паровых котлов до реактивных двигателей прошло фактически за последние три сотни лет.

Как превратить тепло в работу?

Чем же помогла наука строителям тепловых машин?

В 1824 году французский физик и инженер Николя Карно опубликовал сочинение, в котором выяснил, какова может быть максимальная эффективность тепловой машины. Молодой, а ему тогда было лишь 28 лет, ученый, показал, что полезную работу можно получить только тогда, когда тепло переходит от нагретого тела к более холодному. Именно на этом пути можно «отнять» часть тепловой энергии и преобразовать ее в механическую – в движение поршня или вращение колеса. Чем больше разность температур между нагретым и холодным телом, тем большую часть тепловой энергии можно перевести в работу.

Николя Карно (1796–1832) – французский физик и инженер. Один из создателей термодинамики, установивший второй ее закон. Считал невозможной постройку «вечного двигателя», указал на пределы перехода тепла в механическую работу. Сформулировал принцип работы газовых тепловых машин. Его чисто математические рассуждения имели огромное практическое и экономическое значение. Работы Карно привели к улучшению паровых машин и тепловых двигателей.

Стало понятно, что надо как можно выше делать температуру сгорания топлива и как можно ниже – окружающей среды, играющей роль холодильника.

Это был решительный шаг на пути повышения коэффициента полезного действия тепловых машин. Причем совершенно не было важно, какова конструкция машины и что применяют в качестве ее рабочего тела.

С другой стороны, эти размышления Карно приводили к неутешительному выводу. Как бы хорошо ни сконструировали изобретатели и инженеры тепловую машину, как бы ее ни чистили и ни смазывали, никогда в ней не удастся все отобранное у нагретого тела тепло превратить в работу.

А как бы этого хотелось! Ведь механическая работа может полностью перейти в тепловую, внутреннюю энергию окружающих тел!

Вспомните, как вы трете, согреваясь, ладони и уши, как древний человек трением добывал огонь, как нагревает себя и асфальт тормозящий автомобиль, теряя движение. Почему же невозможен обратный полный переход?

Увы, и здесь природа опустила шлагбаум запрета, который ни объехать, ни обойти. Правда, и в разрешенных ею пределах человек умудрился наизобретать еще много диковинного.

Паровоз – хорошо, а тепловоз – лучше

Чем пароход отличается от теплохода, а паровоз – от тепловоза? В одних, ясно уже по названию, используют пар, а в других – газы, получающиеся при сгорании топлива. И то, и другое – тепловые машины, однако второй их тип оказался намного выгоднее.

Действительно, чтобы работал паровой двигатель, нужно везти на себе прочный котел с водой для создания пара. И еще вместе с ним топку, где должно сгорать топливо для подогрева воды.

Тяжелая, громоздкая и малоэффективная конструкция! Теплоходы же и тепловозы имеют двигатели, внутри которых сразу происходит сгорание топлива, а выделившиеся при этом горячие газы толкают поршни, передающие движение рычагам, колесам, гребным винтам.

Рудольф Дизель (1858–1913) – немецкий инженер и изобретатель. Создал поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, названный его именем. Экономичность и надежность обеспечили двигателю применение на автомобилях и теплоходах, тепловозах и тракторах, подводных лодках и электростанциях.

Попытки создать устройство, движущееся по суше без рельсов, имеют давнюю историю. Более 200 лет назад во Франции был построен трехколесный экипаж с паровым двигателем и котлом огромных размеров. Понятно, что толку от такой машины было мало – ее легко обгонял пешеход. Наконец, в восьмидесятых годах прошлого века были сделаны два изобретения, приведшие к созданию того, что можно назвать автомобилем. Это – двигатель внутреннего сгорания и пневматическая шина. Оснащенные новыми устройствами, автомобили стали завоевывать страну за страной. Более 100 лет совершенствования привели к тому, что теперь их в мире десятки миллионов. Двигатели, непосредственно внутри которых сгорает топливо, на сегодня вытеснили везде паровые и стали основными среди тепловых машин.

Как холодильник «холодит»?

Хорошо, пусть холодные тела только и «мечтают», чтобы нагреться, а горячие – охладиться. Но как же тогда работает холодильник? И правда, отключив его от сети и открыв дверцу, мы сперва почувствуем недолгую прохладу, но в скором времени весь лед растает, а продукты из охлажденных или замороженных превратятся в обыкновенные – с комнатной температурой. Что же позволяет этим процессам идти не естественным порядком, а наоборот?

Вспомним об испарении, скажем, спирта, когда ваткой, смоченной им, вам протирают кожу перед уколом. Что мы ощущаем? Правильно, холодок. Так вот, в холодильнике испаряющаяся жидкость отнимает тепло от всего, что внутри него находится. Но чтобы охлаждение шло постоянно, ее надо заставить это делать многократно.

Вот почему мы слышим, как урчит двигатель холодильника, приводя в движение поршни, отсасывающие пары этой жидкости. Затем их прогоняют через конденсатор, укрепленный на задней стенке холодильника. Пощупав его во время работы двигателя, вы ощутите… тепло. Откуда оно взялось? А это конденсируются пары жидкости и, как и положено им в этом случае, выделяют наружу тепло. Сгустившись из паров, жидкость вновь поступает внутрь холодильника, чтобы, снова испарившись, отнять там порцию тепла.

Получается, что холодильник – это тепловой двигатель наоборот. К тепловой энергии, отобранной у продуктов, мотор добавляет энергию, полученную из электросети. И все это вместе «выбрасывает» в комнату. Выходит, включенный холодильник служит нам еще и дополнительным нагревателем воздуха в квартире.

Что берет в полет ракета?

То, что реактивный двигатель космической ракеты работает на принципе отдачи, вам хорошо известно. В одну сторону вылетают, оттолкнувшись от ракеты, раскаленные газы. В другую, оттолкнувшись от газов, летит ракета. А что же происходит внутри такого двигателя?

Это – тоже тепловая машина. В ней, правда, нет ни поршней, ни рычагов, ни колес. Тем не менее, ее устройство отнюдь не так просто. В отличие от двигателей внутреннего сгорания и паровых машин, где топливо горит в воздухе, здесь в камеру сгорания подаются одновременно горючее, скажем, керосин, и окислитель. Ведь в безвоздушном пространстве «зачерпнуть» воздух неоткуда. И его роль в полете должен взять на себя кто-то другой, к примеру, жидкий кислород. Вот его и приходится возить с собой в ракете вместе с горючим.

Сергей Павлович Королев (1907–1966) – российский ученый и конструктор. Основоположник практической космонавтики. Под его руководством были созданы первый искусственный спутник Земли и космические корабли, на которых человек впервые облетел Землю и вышел в открытый космос. Занимался конструированием и постройкой межпланетных станций.

Температура горения достигает в камере нескольких тысяч градусов. Давление так велико, что газы с огромной скоростью вырываются из камеры в расширяющееся отверстие на конце ракеты, называемое соплом.

Мы рассказали о жидкостном ракетном двигателе. Есть еще и твердотопливные, их вы могли бы увидеть при старте космического корабля «Шаттл». Они пристыкованы к корпусу основной ракеты и позволяют увеличивать тягу на первом отрезке взлета. Но во всех случаях, чтобы работали такие двигатели, потребовалось создать особые жаропрочные материалы. Они должны выдерживать, не плавясь, те гигантские температуры, которые возникают внутри таких двигателей.

Вновь, как это бывает чаще и чаще, создание одной машины заставило сотрудничать самые разные отрасли науки и техники.

Мир электричества

Сколько миллионов раз должна была сверкнуть молния, чтобы человек наконец-то задумался, а что же это такое?

Между натертыми кусочками янтаря, притягивающими предметы, и молнией, казалось бы, ничего общего. А ведь все это – электрические явления. И слово-то «электричество» от «янтаря» пошло. Но чтобы уловить родственность столь непохожих явлений, потребовались опять-таки тысячелетия.

Что ж, человек такой тугодум? Да нет, слишком «тонкой материей» оказалось электричество. Но уж когда выяснилось, что в нем к чему, люди так крепко «запрягли» его, так приспособили, что всего за двести лет изменили с его помощью облик всей своей жизни.

Электротехника, электроника, электроэнергия, электровоз, электросварка, электростанция, электромузыкальные инструменты… Ну, ни шагу без электричества.

А не надо никуда шагать. Оно здесь, прямо на вас. Стоит стянуть с себя свитер, как…

Отчего водолазки «трещат»?

Зима. Теплая, сухая квартира. Вечер. Мы готовимся ко сну. Стягиваем через голову водолазку или свитер, и вдруг в тишине раздается треск. Откуда взялись эти звуки? Если снимать шерстяную или синтетическую одежду в темноте, то можно заметить, как этот треск сопровождается искорками. Трещит и искрится наша одежда, и лишь тогда, когда мы, снимая ее, заставляем тереться, скользить по телу.

Чуть-чуть внимания, и обнаружится, что стянутая кофта притягивается к оставшейся на нас рубашке. Что же их тянет друг к другу? Соприкоснувшись, они словно избавляются от этой силы и обвисают. А бывает, что надолго прилипают друг к другу. Почему?

Еще один опыт, который вы проделываете, порой неохотно, каждый день – причесывание. Как иногда приходится мучиться с нашими волосами, которые буквально тянутся за расческой, липнут к ней. Опять немножко наблюдательности, и выяснится, что это происходит с пластмассовыми или деревянными гребешками, а с металлическими, как правило, – нет.

Уильям Гильберт (1544–1603) – английский физик и врач. Основоположник науки об электричестве. Верный экспериментальному методу, провел множество опытов по обнаружению электрических свойств различных тел. Обогатил эту область рядом открытый и приборов. Исследовал магнитные явления, установил, что Земля – большой магнит. Был первым сторонником идей гелиоцентрической системы Коперника в Англии.

Подведем небольшой итог. Во время соприкосновения, а трение лишь увеличивает его площадь между телами, что-то происходит. Это «что-то» стали называть передачей электрического заряда. Его появление на различных телах приводит не только к их притяжению, но, бывает, и к отталкиванию. Поэтому заряды решили снабдить памятками-знаками. И теперь говорят, что притягиваются друг к другу тела с зарядами разных знаков, или разноименными зарядами: «плюс» к «минусу» – и «минус» к «плюсу». А отталкиваются одноименные: «плюс» от «плюса» – «минус» от «минуса».

«Прицепить», конечно же, мысленно, тот или иной знак заряда к тому или иному телу люди договорились давно. Сейчас, покупая электрическую батарейку, вы сразу же найдете на ней эти обозначения. Это поможет вам правильно вставить ее в какой-либо прибор, где тоже имеются такие отметки. А теперь попробуйте еще раз побаловаться с зарядами разных знаков. Потрите пластмассовую расческу о сухие волосы и поднесите к разбросанным по столу мелким бумажным ленточкам или обрывкам. Ну, что произойдет?

Почему бьет молния?

Способность различных тел заряжаться люди обнаружили давно. Но долгое время эти новые электрические силы человек не знал как использовать. Научившись создавать с помощью трения внутри электрических машин довольно заметные заряды, даже исследователи применяли их для развлечения. В XVII–XVIII веках были очень популярны электрические фокусы, особенно такой, когда у заряженного человека волосы буквально вставали дыбом.

Это явление объясняется просто. Растекшийся по поверхности человека заряд одного знака стремится раздвинуть, оттолкнуть все, на что он попал. Поэтому и волосы поднимались, расходясь друг от друга в разные стороны. Когда же поблизости оказывались разноименные заряды, то, стремясь притянуться, соединиться, они порой вызывали электрическую искру. Иначе это еще называют электрическим пробоем воздуха.

Не нужно думать, правда, что электричество служило только для потехи праздной публики. Сходство между искусственно полученными электрическими искрами и наблюдаемой при грозах молнией наводило на мысль об одинаковой их природе. Действительно, во время движения воздушных потоков из-за трения происходит разделение электрических зарядов и накопление их в облаках и на поверхности Земли. Достигая большой величины, эти заряды способны пробить воздух, что и приводит к гигантской искре – молнии. XVIII век был славен тем, что проводилось уже довольно много экспериментов, связанных с поиском защиты от молнии. Опыты с атмосферным электричеством были весьма рискованны и кое-кому даже стоили жизни.

Постепенно накапливались наблюдения и факты, которые позволили ученым объяснить электрические явления. И от увеселений перейти к тому, чтобы поставить их на службу человеку.