Текст книги "Физика без формул"

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.