А. А. Леонович
Физика без формул
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.
