А. А. Леонович
Физика без формул
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.
