Что такое теплота? Казалось бы, на этот вопрос ответить легко. «Тепло» и «холодно» — эти понятия имеют такую же давность, как и человеческий род, однако люди долгое время не могли объяснить причин возникновения тепла, не могли разобраться в самой природе тепловых явлений.
Давно было замечено, что при соприкосновении двух тел тепло переходит от более горячего к более холодному и температура обоих тел выравнивается. Это свойство породило взгляд, будто тепло является некоей невесомой жидкостью — «теплородом». Такой взгляд долгое время господствовал среди учёных, и ещё в начале XIX в. некоторые физики считали, что «теплород» в большем или меньшем количестве содержится в каждом горячем теле и может как бы «переливаться» в тело более холодное, пока не установится одинаковый уровень температур.
 |
| Однажды доктор решил определить температуру воды с помощью собственного пальца. Однако, как человек науки, он предварительно захотел проделать небольшой опыт. Арк-Синус опустил палец правой руки в горячую воду, а левой — в холодную. Подержав некоторое время так оба пальца, он опустил их в стакан с теплой водой. К удивлению доктора, пальцу правой руки вода показалась очень холодной, а пальцу левой — горячей. Это убедило доктора в несовершенстве и неточности показаний его природных «термометров» — пальцев. |
Но ещё в глубокой древности люди заметили, что тепло может не только переходить от одного тела к другому, но и возникать при трении тел. На этом был основан один из способов добывания огня ещё в доисторическую эпоху. Однако это явление долгое время не подвергалось сколько-нибудь внимательному научному исследованию. В 1798 г. им заинтересовался американец Румфорд, работавший в арсенале. Румфорд поразился громадным количеством тепла, которое выделялось при сверлении пушек. Тепла было так много, что после двухчасового сверления вода, в которую была опушена металлическая болванка, закипала. Румфорд занялся исследованием этого явления и обнаружил, что путём трения можно извлечь из всякого тела любое количество тепла. Даже куски льда могут быть расплавлены простым трением друг о друга.
Почти за полвека до Румфорда, в середине XVIII в., гениальный русский учёный М. В. Ломоносов высказал предположение, что теплота происходит от движения «ничтожных частичек» тела. Опыты Румфорда и других исследователей целиком подтвердили это блестящее предположение. Эти опыты совпали с появлением новой научной теории, утверждающей, что всякое вещество состоит из мельчайших частиц — молекул, причём молекулы любого тела всегда находятся в движении. Движение молекул беспорядочно, среди них есть и более быстрые, и более медленные. Средняя скорость этих молекул и характеризует температуру тела: чем больше скорость, тем выше температура. В результате трения или ударов молекулы тела убыстряют свои движения и тем самым вызывают повышение температуры. Этим объясняется также, почему железный брус под ударами молота может разогреться до красного каления: сильные удары молота вызывают бесчисленное количество движений мельчайших частиц — молекул металла; недаром знаменитый учёный Лейбниц образно уподобил это явление размену крупных монет на мелкие.
Новая теория позволила легко объяснить многие явления, сопровождающие нагревание. Теперь стало понятно, почему, например, тело при нагревании расширяется: молекулы его приходят в более быстрое движение, и промежутки между ними увеличиваются.
С появлением новой теории стало понятно, почему тело при изменении температуры переходит из твёрдого состояния в жидкое, газообразное и обратно. Под влиянием нагревания молекулы твёрдого тела постепенно убыстряют свои колебания и в конце концов начинают сходить со своих мест. Сила взаимного притяжения молекул ослабляется, тело теряет форму, плавится, превращается в жидкость. Легко объясняется и испарение жидкости: среди молекул жидкого тела попадаются более быстрые, обладающие такой энергией движения, что они вырываются из жидкости и вылетают в окружающее пространство. При этом с потерей быстрых молекул средняя скорость оставшихся естественно уменьшается, вот почему при испарении жидкость всегда охлаждается.
 |
| Заинтересовавшись причиной тепла и холода, доктор глубокомысленных наук Арк-Синус решил исследовать горячие и холодные тела с помощью изобретенного им супер-микроскопа. Направив его на кипящую воду, доктор обнаружил, что движение молекул зависит от температуры. Чем сильнее нагревалась вода, тем быстрее двигались молекулы. При температуре кипения воды молекулы ее получили столь быстрое движение, что некоторые из них уже начали выскакивать в воздух, пробившись через поверхность раздела воды и воздуха. |
Если мы станем нагревать жидкость ещё сильней, процесс испарения ускорится, и вся жидкость начнёт кипеть — переходить в пар, в газ. В газах молекулы движутся наиболее интенсивно и так далеко находятся друг от друга, что промежутки между ними в тысячи раз больше самих молекул, и сила взаимного притяжения перестаёт оказывать своё действие.
Передача тепла от одного тела к другому, которую раньше представляли как «перетекание теплорода», также легко объясняется с точки зрения движения молекул. Если мы будем нагревать металлический стержень в любом его конце, тепло быстро распространится по всему стержню. Это вызывается так называемой теплопроводностью: быстро колеблющиеся молекулы нагретой части стержня раскачивают соседние, более медленные, т. е. «холодные», молекулы; те в свою очередь передают эти колебания дальше, и так до конца стержня.
Теплопроводность у различных тел различна. Она высока у металлов и очень мала у таких тел, как, например, дерево, резина, вода, воздух. Всем известно, что если разогревать воду в пробирке сверху, то можно довести верхний слой воды до кипения, в то время как кусочки льда, брошенные на дно пробирки, останутся нерастаявшими. Если же разогревать сосуд с водой снизу, то тепло быстро распространится по всей воде. Это происходит потому, что горячая вода, расширяясь, становится легче, поднимается наверх и, смешиваясь с холодной, быстро передаёт ей своё тепло. К медленно движущимся молекулам холодной воды прибавляются быстро движущиеся молекулы горячей, от чего средняя скорость движения молекул, а следовательно, и температура повышаются. Такая передача теплоты называется конвекцией.
*
Итак, мы видим, что для передачи тепла необходимо движение молекул. Но как же объяснить передачу солнечного тепла к нам на землю через «пустое» межпланетное пространство, где количество молекул так ничтожно, что они вряд ли могут служить промежуточной средой для передачи движения? Чем объяснить, что ладонь руки, обращённая к печке, чувствует тепло, в то время как другая сторона руки остаётся холодной? Такая передача тепла происходит с помощью особых тепловых лучей, которые испускает всякое тело при нагревании. Тепловые лучи возникают благодаря движению молекул нагретого тела. Движение молекул вызывает колебания окружающей среды — эфира, который заполняет все мировое пространство, в том числе и межпланетное.
Всем известно, что при нагревании железо начинает раскаляться и светиться сначала красным, затем оранжевым и наконец белым светом. Но задолго до того, как тело достигает тёмно-красного каления, оно начинает испускать из себя волны «невидимого света» — тепла. От температуры тела зависит и длина испускаемых тепловых волн: чем ниже температура тела, тем волны длиннее. По мере нагревания повышается частота колебаний, и волны становятся короче. Наконец к тепловым волнам примешиваются ещё более частые и короткие волны — световые, которые вызывают у нас зрительное ощущение.
Таким образом, колеблющиеся молекулы нагретого тела порождают электромагнитные колебания — тепловые лучи. В свою очередь эти тепловые лучи, падая на поверхность какого-либо тела, раскачивают его молекулы и увеличивают их скорость, т. е. вызывают тепло.
Тепловые лучи обладают многими свойствами лучей световых: они могут преломляться, проходить через линзы, отражаться от зеркал. Всем, например, известно, что тепловые лучи солнца, пропущенные через лупу, собираются в одном фокусе и легко воспламеняют помещённую в этом месте спичку или бумагу.
Однако стекло, прозрачное для света, значительно менее прозрачно для тепловых лучей. Для опытов с ними приходится пользоваться линзами из других веществ, как, например, из поваренной соли или из минерала флюорита. Такие линзы почти совершенно не задерживают тепловых лучей. При помощи фотоаппарата, снабжённого такой линзой и особой пластинкой, чувствительной к тепловым лучам, можно фотографировать в темноте предметы, испускающие невидимые тепловые лучи. Этим свойством пользуются, например, для обнаруживания ночью неприятельских самолётов или встречных судов в тумане.
 |
| Желая запечатлеть для потомства электрический чайник, который был дорог ему как память, Арк-Синус решил сфотографировать его. При этом доктор использовал тепловые лучи, распространяющиеся от всякого нагретого тела. Включив чайник в сеть, доктор сфотографировал его в полной темноте на особо приготовленную пластинку. Снимок вышел весьма удачным. |
Под действием одних и тех же тепловых лучей разные тела нагреваются различно. У некоторых веществ молекулы настроены как бы в унисон с колебаниями тепловых волн и поэтому более легко поддаются их воздействию. Пройдя, например, через слой воздуха, тепловые лучи почти не раскачают его молекул, другими словами, воздух для них почти прозрачен. Но, пройдя через пары воды, тепловые лучи поглощаются ими и значительно раскачивают молекулы, отчего водяной пар начинает нагреваться.
Ясно, конечно, что лучистая энергия может превратиться в тепловую только тогда, когда встретит на своём пути молекулы, движение которых и вызывает ощущение тепла. Таким образом, пустота не может иметь никакой «своей», температуры, и всякое тело, помещённое в пустоту, будет иметь ту температуру, которая соответствует воздействию тепловых лучей на его молекулы. Таким образом, если в межпланетном пространстве поместить различные термометры — ртутный, спиртовой, газовый, электрический и т. д., — все они покажут разную температуру, потому что спирт, газ, ртуть и другие вещества по-разному поглощают тепловые лучи, или, вернее, колебания тепловых волн по-разному «раскачивают» их молекулы.
 |
| На специальном ракетоплане «Арк-Синус-1» доктор поднялся в межпланетное пространство, чтобы узнать, какая там температура. К его удивлению, газовый, электрический и ртутный термометры, установленные на ракетоплане, показали разную температуру. Тут только сообразил доктор, что в межпланетном пространстве нет «своей» температуры: каждое тело нагревается больше или меньше, в зависимости от количества тепловых лучей, которые оно поглощает. |
*
В конце XVII в. известный физик Денис Папин наблюдал температуру воды, кипящей в закрытом котле. При этом он с удивлением заметил, что вода в котле закипает не при 100°, а при гораздо более высокой температуре. Это явление находит своё объяснение в том, что, создавая давление на поверхности воды, мы затрудняем выход быстро движущихся молекул из жидкости, т. е., другими словами, затрудняем испарение. Наоборот, если мы будем охлаждать газ под большим давлением, то сможем превратить его в жидкость значительно легче и скорей. В этом случае давление, сближая молекулы, содействует их столкновению и сцеплению, помогает процессу сжижения.
 |
| Занимаясь тепловыми исследованиями, Арк-Синус забрался в машину, создающую давление в 20 тыс. атмосфер. Он дотронулся до куска льда, оказавшегося там, и... обжегся. Это заставило доктора вспомнить, что при повышении давления температура плавления льда повышается. Под давлением в 20 тыс. атмосфер лед начинает таять лишь при температуре 70°. |
Воздух, представляющий собой смесь газов, может быть превращён в жидкость при температуре —190°. Если же его подвергнуть давлению в 40 атмосфер, то воздух станет жидким уже при температуре —140°. Правда, для каждого газа существует своя предельная «критическая температура». Если температура газа будет выше этого критического уровня, его не удастся превратить в жидкость ни при каком давлении.
Самая низкая температура, наблюдаемая на земле в естественных условиях, достигает —80°. Но при такой температуре можно превращать в жидкость лишь очень немногие из известных нам газов. Люди нашли способы добиться значительно более низких температур. Для этого применяется, например, быстрое испарение легко сжижающихся газов. Предварительно газ сжижают под большим давлением, затем, уменьшив давление, заставляют газ быстро испаряться. При этом молекулы уносят с собой такое количество тепла, что оставшийся, не успевший испариться жидкий газ может даже превратиться в твёрдое тело.
Постепенно учёные научились получать все более низкие температуры, превращать в жидкость и даже в твёрдые тела всевозможные газы, с большим трудом поддававшиеся сжижению. Но есть ли вообще какой-либо предел охлаждения? Очевидно, если скорость молекул может расти вверх беспредельно, то убывать она может лишь до тех пор, пока движение молекул не станет равным нулю, т. е. пока молекулы не остановятся. Эта температура, названная абсолютным нулём, по вычислениям учёных составляет —273°.
 |
| Направив свой микроскоп на лед, охлажденный до —272°, доктор обнаружил, что молекулы его почти перестали двигаться. Тут доктор вспомнил, что самая низкая теоретически возможная температура — это —273°: абсолютный нуль. При этой температуре движение молекул должно совершенно прекратиться. |
В последнее время, работая по сжижению гелия, учёные сумели получить температуру, отстоящую меньше чем на 1° от абсолютного нуля. При этих сверхнизких, так называемых «гелиевых» температурах вещества получают совершенно особые, неожиданные свойства. Так, например, многие тела, которые в обычных условиях почти не обладают магнитными свойствами, при гелиевых температурах сильно притягиваются магнитами. Совершенно изменяется упругость тел. Свинцовый шарик, охлаждённый до —200°, при падении на пол подпрыгивает, как резиновый, и наоборот, резиновый мяч при этой температуре, упав на пол, разбивается вдребезги. Многие тела — вата, слоновая кость, яичная скорлупа — начинают светиться, если их, подержав предварительно на солнце, поместить в жидкий воздух. При температуре, близкой к абсолютному нулю, некоторые металлы получают свойства сверхпроводимости: электрический ток, идущий по ним, не встречает никакого сопротивления и, раз возбуждённый, существует долгое время, если даже убрать источник тока. По сверхохлаждённому проводнику мы можем пропустить ток чрезвычайно большой силы и не обнаружим при этом почти никакого нагревания проводника.
 |
| В своих опытах доктор обнаружил, что при сверхнизких температурах многие вещества очень сильно изменяют свои свойства. Так, например, при температуре около —200° резина становится ломкой и хрупкой, а свинец, наоборот, упругим. Заядлый теннисист, доктор Арк-Синус сразу же представил себе, что в таках условиях придется заменить резиновые мячи свинцовыми. |
Исследования веществ, охлаждённых до сверхнизких температур, показали, что вблизи абсолютного нуля теплоёмкость тел становится равной нулю, т. е. бесконечно малое количество тепла оказывается достаточным, чтобы поднять температуру тела. Это приводит к тому, что практически мы не можем получить температуры, равной абсолютному нулю, так как не в состоянии уберечь нашу установку от попадания в неё бесконечно малых количеств тепла извне.
*
Движение может переходить в тепло, но возможен ли обратный переход тепла в механическое движение, в работу? Конечно, возможен. Во всех наших двигателях — паровых машинах, турбинах, дизелях — мы наблюдаем такой переход тепла в работу. Конечно, при этом в работу переходит не все тепло: часть его теряется непроизводительно.
Установлено, что каждые 427 килограммометров работы, переходя в тепло, всегда дают одну большую калорию тепла. Но обратно мы можем перевести в полезную работу только часть этого тепла, остальное остаётся неиспользованным.
Для превращения тепла в работу необходимо, чтобы совершался переход тепла от тел с высокой температурой к телам с низкой температурой, что мы и наблюдаем в наших двигателях. Необходимо всегда помнить, что теплота и движение молекул — это, в сущности, одно и то же. А движение молекул создаёт давление, которое и вызывает работу. Если в цилиндре двигателя будет такая же температура, как и вне его, поршень не тронется с места. Для работы необходима разность температур, точно так же как для электрического тока необходима разность потенциалов. При этом, чем больше разница между начальной и конечной температурами, тем экономичнее двигатель. Обычные паровые двигатели обладают очень небольшим коэффициентом полезного действия. Применяя пар высокого давления, имеющий более высокую температуру, можно значительно повысить коэффициент полезного действия паровой машины. В бензиновом двигателе взрыв смеси вызывает очень высокую температуру (до тысячи градусов), поэтому и экономичность бензинового двигателя гораздо больше, чем паровой машины.
Тепловая энергия является чрезвычайно концентрированным видом энергии. Высчитано, что при сжигании 1 грамма угля выделяется такое количество тепла, что если его полностью перевести в работу, то можно было бы поднять на высоту 1 метра груз весом в 3 тонны.
 |
| В результате многочисленных исследований и расчетов доктор обнаружил, что теплота — самый концентрированный вид энергии. Тепловой энергии, заключенной в стакане горячего чая, оказалось достаточно, чтобы поднять груженый товарный вагон на полуметровую высоту. |
Откуда же берётся то колоссальное количество энергии, которое в таком изобилии расходуется современной промышленностью? Таким источником энергии является солнце. Солнце посылает нам через мировое пространство неисчерпаемую энергию своих лучей. Солнечные лучи накапливаются растениями и животными, они поднимают громадные массы воды в виде паров на большие высоты, они сберегаются в недрах земли в виде угля и нефти, они служат основой всех движений и всей жизни на земном шаре.
Комментариев нет:
Отправить комментарий