Помоги проекту - поделись книгой:
Чтобы тело нагреть, надо ему откуда-то подать эту тепловую энергию. Чиркнули мы спичкой, зажгли газ. И на плиту поставили чайник. Газ горит, выделяется тепловая энергия, чайник нагревается, передает энергию воде. Потом закипит вода. Вот куда пошла энергия сожженного в горелке газа. Счетчик нам эту энергию подсчитывает в точности.
Тепловая энергия тела, разумеется, сейчас же передается его частичкам — молекулам. Если тело твердое, то молекулы, получив причитающуюся им порцию энергии, начинают колебаться быстрее. И колеблются тем чаще, чем больше энергии поступает в их распоряжение. Если измерять температуру, то она все время будет увеличиваться. А потом застопорится, застынет на месте. Это сигнал — тело начало плавиться. И тепло теперь идет не на то, чтобы увеличивать температуру. Надо сорвать молекулы с насиженных мест, оторвать их друг от друга, увеличить внутреннюю энергию. Вот куда расходуется тепловая энергия. Изобретателям термометров это обстоятельство на руку. Пока все тело не расплавится или, наоборот, пока вся жидкость не застынет — температура его не изменится. Значит, можно использовать его для так называемой опорной — основной точки шкалы термометра.
Мы ведь как раз это и делали, когда опускали ртутный шарик в замерзающую воду.
Но вот все молекулы бывшего твердого тела сорвались со своих мест и путешествуют как хотят. Превращение совершилось. Перед нами жидкость. А мы продолжаем поставлять тепловую энергию.
Теперь уже нагревается жидкость. Ни одна кроха тепла не пропадет, сразу же жидкость отзовется повышением температуры. Дойдет дело до точки кипения. И снова остановка — пока не выкипит вся жидкость, температура стоит на месте как вкопанная. Ни шагу дальше.
Что касается газа, то его можно нагревать сколько угодно. Правда, там тоже появится нечто новое. Но это при очень больших температурах. Тут уж и от молекул «щепки полетят». Так получается новое, четвертое состояние вещества — плазма.
Но вернемся к веществам обычным.
Что мы с ними делали? Нагревали, повышали температуру. И увидели, что это тотчас же отражалось на поведении молекул.
Остается добавить, что наиболее прыткие молекулы жидкости, у которых самая большая скорость, покидают поверхность жидкости задолго до кипения. Это и есть испарение. Мы уже говорили об этом. И вспомнили, что в бане на стенах появляются капельки воды. Там происходит конденсация. Часть водяных паров становится снова жидкостью.
От чего зависит состояние тела? От температуры! С чем связана температура? С движением молекул. Чем температура больше, тем с большей скоростью они двигаются.
Выходит, температура — мера движения молекул, мера их скорости. Строго говоря, температура определяет кинетическую энергию движения молекул. Кинетическая — как раз и означает энергию движения.
На первый взгляд нагретое тело ведет себя спокойно. Какое уж там движение? Кинетической энергией обладает, например, падающая с плотины электростанции вода, летящий камень, движущийся поезд. Попробуйте их остановить! А тут энергия и… покой! Дело в том, что энергию движущихся тел мы, так сказать, видим своими глазами. А энергия движения молекул — скрытая, невидимая, внутренняя. Лежит, например, на земле камень. Лежит спокойно, тихо, никого не трогает. Но внутри его скрыто во много раз больше энергии, чем в другом, который с грохотом и пылью летит вдоль горного склона.
И именно температура показывает, сколько тепловой энергии скрыто в данном теле. Больше ее стало или меньше.
Тепловая энергия может легко переходить от одного тела к другому. При этом, конечно, тела обмениваются теплом, а не «горячими» молекулами. Тело горячее постепенно остывает, а холодное — нагревается. Только вот что интересно. Тепло переходит только от горячего тела к холодному. А наоборот — в обратном направлении — идти не хочет.
Так ведет себя река, в которой вода течет лишь в одном направлении — по течению, туда, где уровень реки ниже.
Когда-то давно люди думали, что переносит тепло особое вещество — теплород. И очень удивлялись, что этот теплород такой разборчивый. Никак нельзя отнять его от холодного тела и передать горячему. А теперь мы знаем, в чем дело. Никакого теплорода нет и в помине. Просто молекулы одного тела двигаются быстрее, чем другого. Если эти тела положить один возле другого, то молекулы горячего тела будут подталкивать молекулы тела холодного. Сами они при этом замедлятся. Так продолжается до тех пор, пока скорости обоих тел примерно не сравняются. И тепловая энергия распределится между всеми молекулами.
Это общее свойство тепловой энергии. Сама собой она переходит только от тел более нагретых к телам менее нагретым.
Вот мы с вами и выяснили, что же такое температура. Она, оказывается, показывает, сколько в теле тепловой энергии, как двигаются его молекулы.
И чтобы понизить температуру, чтобы приблизиться к абсолютному нулю, надо эту энергию по возможности отнять у тела. Тогда оно начнет охлаждаться.
Сейчас мы займемся этой операцией. Получить небольшой холод сравнительно нетрудно. Вот пойти дальше, приблизиться к самому абсолютному нулю — задача потяжелее. Но мы справимся и с ней. Мы — на бумаге. А ученые давно уже достигли самых низких температур. Правда, сразу же возникает недоуменный вопрос. Мы все время говорим, что тепловая энергия переходит только к холодным телам. Горячие лишь остывают. Да и то не сами по себе, а если их поместить рядом с телами похолодней. Выходит, чтобы охлаждать тела, мы всегда должны заранее иметь что-то вроде холодильника?
Это все правильно, тепловая энергия сама по себе, самопроизвольно переходит лишь к телам менее нагретым, перемещается только в одном направлении. А вот специальными способами можно заставить ее путешествовать и в обратном направлении. Можно отнимать тепло и у холодных тел. Но для этого надо тратить энергию. Вот, например, стоит у нас дома холодильник. Он все время включен в электрическую сеть. Электричество работает в холодильнике. И в нем холодно. А попробуй-ка выключи его. Через несколько часов там будет тепло, как в комнате.
Создать низкие температуры трудно, но возможно.
Удержать их нелегко. Ведь кругом находятся теплые, горячие тела. Они рады передать кому-нибудь часть своей энергии. Приходится тщательно оберегать холод.
Если заглянуть внутрь стенок холодильника, можно увидеть там много слоев теплоизоляции. А все для того, чтобы не допустить в холодильник тепла из комнаты, чтобы молекулы воздуха не смогли передать молекулам холодильника часть своей энергии.
Горячие тела тоже очень трудно сохранять горячими. Даже если убрать воздух, и то тела остывают. Вы ведь знаете, что тепло от далекого Солнца идет к нам за миллионы километров пустого безвоздушного пространства.
Тепло от печки передается молекулами воздуха. Воздух около печки прогревается, расширяется, уходит вверх. Его место занимает другая порция. И так идет перемешивание, пока все тепло печки не разойдется равномерно по всей комнате.
Молекулы сильно нагретых тел отдают тепло в виде излучения. У них слишком много энергии. Температура велика, двигаются молекулы очень быстро. И отдают лишнюю энергию порциями излучения. Если поднести ладонь к сильно нагретому телу, то от него так и пышет жаром. Это летят невидимые тепловые лучи. Летят они и от звезд, и от нашего Солнца, летят за многие миллионы километров через межпланетное безвоздушное пространство. Именно таким способом Солнце «отапливает» нашу-Землю. Вся Вселенная заполнена этими «путешествующими» тепловыми лучами.
Сейчас их научились находить, ловить даже, когда их совсем мало.
Есть приборы, которые могут обнаружить даже спичку, зажженную на Луне.
Но тела, нагретые не сильно, почти не излучают. Поэтому защитой низких температур служит вакуум — пространство, лишенное воздуха.
Хлопотливая «жизнь» молекул газа
Про абсолютный нуль ученые узнали, когда стали изучать поведение газов. С другой стороны, газы, так сказать, объект всей техники сверхнизких температур. И все время, пока мы будем заниматься сверххолодом, нам придется общаться с газами. Правда, многие из них быстро меняют свой облик, становятся жидкостями. И наше продвижение к абсолютному нулю мы и будем отмечать тем, что газов останется все меньше и меньше.
Вот, например, воздух. В нем есть углекислый газ, азот, кислород, пять инертных газов. Но стоит его охладить — и углекислый газ выпал твердым осадком. Потом ушел кислород, за ним азот, другие газы.
Только морозоустойчивый гелий — один из инертных газов воздуха — держится до последнего.
Лишь в самых близких покоях Владыки Сверххолода сдался и он. Ни одного газа в мире больше нет! Ледяное безмолвие!
Давайте познакомимся с газами поближе. Пока что пусть они живут в наших обычных земных условиях. И ведут себя, как полагается газам, совсем не подозревая, какая участь им в дальнейшем уготована.
У молекул есть свой свод законов. Мы с ним ознакомились. Но когда они составляют газ, появляются новые законы, действующие лишь для газа. Поскольку нас интересуют газы и мы собираемся с ними долго общаться, выясним, какие это законы. Это тем более интересно, что с помощью одного из них мы в точности определим значение абсолютного нуля — таинственное, на первый взгляд, ничего не выражающее число «минус двести семьдесят три».
Молекулы газа свободны, как ветер. Это мы уже знаем. Их ничто не удерживает вместе. Они мчатся с громадными скоростями, сталкиваясь друг с другом, натыкаясь на стенки сосуда, в котором находится газ. Если сосуд раскрыть, то газ мгновенно покинет его, молекулы разлетятся во все стороны, осваивая новое помещение.
Газ состоит из молекул. И хотя каждая молекула живет своей собственной отдельной жизнью, хотя все они «думают», что никакого отношения друг к другу не имеют, это неверно. Свойства газа как раз и зависят от того, как ведут себя все его молекулы, вместе взятые.
Если у нас в руках твердое тело, то мы сначала смотрим, какое оно на вид, интересуемся формой тела. Затем судим о его весе — тяжелое оно или легкое. И, конечно, говорим о температуре.
Затем можно определить твердость тела — упругое оно или нет, как проводит тепло и многое другое.
Что касается газа, то говорят только о трех его характеристиках. Во-первых, у газа имеется определенная температура. Это мера тепловой энергии газа, мера энергии движения его молекул. Не надо, конечно, думать, что все молекулы двигаются точно с одними и теми же скоростями. Нет, у одних молекул скорость поменьше. Другие — порезвее, быстрее двигаются. Температуру определяет средняя скорость. Допустим, измерили мы скорости всех молекул. А потом сложили эти части и разделили на число молекул.
Это и будет средняя скорость.
Кроме того, газ находится в каком-то сосуде, значит, обладает определенным объемом.
И, наконец, третья величина. Молекулы газа бомбардируют стенки сосуда, во время своих полетов ударяются в стенки. Чем больше таких ударов, чем больше скорость молекул, тем труднее приходится стенкам. Газ сильнее давит на них.
Все эти удары, вместе взятые, создают давление газа.
Итак, температура газа, объем и давление. Вот величины, с которыми связана жизнь газа. Их называют параметрами. Только они не существуют каждая сама по себе.
Возьмем, например, кусок мела. Он может быть большим и маленьким, теплым и холодным.
Но объем куска мела никакого отношения не имеет к его температуре. Вообще говоря, при нагревании твердые тела расширяются, но очень немного. Зато в газах объем, давление и температура связаны между собой. Это легко установить.
Подобные опыты ученые проделали давно.
Еще в средние века, когда физика только становилась наукой, люди, которых интересовали загадки природы, собирались. вместе, рассказывали о своих наблюдениях, спорили, объясняя то или иное интересное явление.
Так рождалась наука — в беседах, спорах, так люди открывали законы природы, подтверждая их опытами, создавая первые формулы.
В Англии в XVII веке образовался большой кружок таких исследователей. Сначала он носил название «Незримая коллегия», и ученые собирались почти подпольно.
Они боялись, что королевские власти и вездесущая церковь сочтут их занятия греховными.
Ученые недолго собирались втайне. Скоро английский король признал общество ученых, взял его под свое покровительство и повелел называть Лондонским королевским обществом. Так и теперь называется Английская академия наук, которая выросла из небольшого кружка ученых.
Среди ученых, которые сразу же стали работать в этой академии, был и гениальный Исаак Ньютон, основавший современную физику, и Роберт Гук, который изучал упругость тел, колебания маятника, свойства звука.
Было много других. В том числе очень богатый человек — Роберт Бойль.
Роберта Бойля интересовало в науке лишь одно: он увлекался исследованием газов.
Еще задолго до Бойля итальянские ученые выяснили много любопытного, узнали о некоторых свойствах газов. Торричелли доказал, что воздух давит на нас сверху с большой силой. Ученые уже знали, что воздух можно сжимать, что, нагреваясь, он расширяется. Но по-настоящему газами занялся Бойль. Он наблюдал много интересных явлений. Некоторые из них Бойль даже не старался объяснить. А это очень жалко. Например, в одном из своих опытов английский ученый по сути дела доказал, что воздух состоит из отдельных частичек — молекул. Но объяснили это лишь много лет спустя.
Бойль проделал несколько опытов, благодаря которым остался навсегда в памяти потомков. Он открыл закон, носящий теперь имя закона Бойля — Мариотта. Бойль запаял небольшую изогнутую трубочку. В запаянном ее колене оказался воздух. Потом ученый стал поджимать этот воздух, добавляя в открытое колено ртуть. Воздух сжимался. И Бойль выяснил, что, чем меньший объем занимает попавший в ловушку воздух, тем большее количество ртути он уравновешивает.
Ртуть давит на воздух. И воздух также давит на ртуть. Оба давления одинаковы, раз столбик ртути покоится на месте.
Получается, что давление газа и его объем взаимосвязаны. Если не менять температуру, держать ее постоянной, то зависимость получается очень простая. Объем газа и его давление при постоянной температуре обратно пропорциональны друг другу.
Так формулируется закон Бойля — Мариотта.
Но при чем тут какой-то Мариотт? Ведь его сделал Бойль.
Сделать-то он сделал, но окончательного конкретного вывода не дал.
Он больше любил проводить интересные наблюдения, ставить диковинные опыты, а потом рассказывать о них на заседаниях Королевского общества.
А создавать теории, делать выводы, предположения — скучно!
В это же время появилась еще одна академия — французская. Одним из ее организаторов был замечательный ученый, исключительно пунктуальный и последовательный человек — Эрнст Мариотт. Бойль открыл свой закон в 1662 году. Доложил об опытах и забросил их. А Мариотт независимо от него пришел к тому же самому. Зато именно он дал новому закону четкую формулировку, которой мы пользуемся и сейчас.
Произошло это в 1676 году. Но в то время наука развивалась не спеша. Сейчас мы считаем, что закон открыт одновременно и независимо друг от друга английским и французским учеными.
Через сто лет после этих событий во Франции родился еще один ученый, который продолжил работы Бойля и Мариотта по изучению газов.
Это был Жозеф Гей-Люссак. Именно ему мы обязаны рождением замечательного закона, с помощью которого сейчас без малейшего усилия докажем, что существует таинственная температура — абсолютный нуль.
Гей-Люссак также изучил поведение газов при нагревании. Для этого он создал специальную установку. Она очень напоминала аппаратуру Бойля. И вообще надо сказать, что английский физик был прекрасным экспериментатором, великолепно умел проводить различные опыты. (Эксперимент — это и есть опыт. Экспериментатор — ученый, работающий практически. Есть ведь еще и теоретики. На их письменных столах не видно ничего, кроме бумаги и ручки. Однако они умеют так глубоко заглянуть в глубь вещества, что открывают в нем многие неожиданные свойства, объясняют сложнейшие результаты, полученные экспериментаторами. А такие замечательные ученые и теоретики, как Ньютон, Ломоносов, Галилей, были и экспериментаторами.)
Но вернемся к экспериментам Гей-Люссака. Мы уже знаем, что он заинтересовался, как ведут себя газы при нагревании. Сначала Гей-Люссак, нагревая газ, давал ему возможность расширяться. Для опыта брал ту же порцию воздуха, которой пользовался Бойль. Помните трубку и пленника — воздух в запаянном ее колене? Воздух подогревается, и капелька ртути, которая закрывает ему путь к свободе, постепенно поднимается. Объем воздуха явно растет. В другом опыте Гей-Люссак решил оставить постоянный объем. Подогревая воздух, он все время добавлял ртуть во второе колено трубочки. Тогда объем воздуха действительно не менялся. Зато повышалось давление. Ведь теперь упругий воздух выдерживает давление все большего и большего количества ртути. Возрастает и давление газа. Ртуть стоит на месте. Значит, давление с той и другой стороны на нее одинаково.
Гей-Люссак произвел подсчеты. И получилось, что и объем и давление газа при нагревании увеличиваются приблизительно на одну и ту же величину. Каждый лишний градус температуры изменяет объем или давление на 1/273 часть того, что было у газа при нуле.
Увеличивают температуру, увеличивается давление. Уменьшают — давление уменьшается. Так Гей-Люссак подтвердил закон, открытый за несколько лет до этого французским ученым Шарлем. Но вот объемные соотношения он открыл сам. И доказал, что эти законы относятся ко всем газам без исключения. Водород, азот, кислород, смесь газов, называемая воздухом, — все равно.
Нагрели на один градус — получайте 1/273 объема или давления!
После того как Гей-Люссак численно сформулировал свой закон, настала очередь абсолютного нуля.
Вы уже, конечно, заметили появление этого таинственного числа 273. Если газ охлаждать, то с каждым градусом давление его уменьшится на 1/273 часть. Оно будет все меньше и меньше, пока…
Но по порядку!
На «сцене» появляется абсолютный нуль
Рассмотрим внимательно, как изменяется давление газа. На каждый градус понижения температуры приходится 1/273 часть давления. На десять градусов мороза отодвинулись мы от нуля Цельсия — на 10/273 упало давление. Ну что ж, пойдем дальше. На бумаге ведь понижать температуру легко. При — 200 °C от первоначального давления останется только 73/273. Это совсем немного.
А что будет при температуре минус 273 °C? Арифметика показывает — давление обратится в нуль. Давление газа полностью пропадет.
Но что это означает? Давление газа — удары его молекул о стенки сосуда. Выходит, при абсолютном нуле температуры молекулы должны замереть на месте. Покоящаяся молекула?
Этого не может быть! Движение — неотъемлемое свойство молекул, свойство материи.
Не могут молекулы остановиться. Выходит, невозможно достичь и такой температуры?
Да, именно так! Минус 273 градуса Цельсия или, точнее, минус 273,16 — предел понижения температур, абсолютный нуль. Более низких температур просто не существует.
Вот и добрались мы до абсолютного нуля.
Эту величину ученые получили не сразу. Не сразу вслед за открытием газовых законов взялись они за арифметические подсчеты, которые мы сделали с такой легкостью. Интереснее другое. Задолго до работ французского ученого Михайло Васильевич Ломоносов утверждал, что температурная шкала должна быть ограничена снизу, что понижать температуру безгранично нельзя. Утверждал он это, исходя из того, что существуют молекулы, что они движутся и иными быть не могут.
Ломоносов, по сути дела, предсказал появление большой области физики — кинетической теории материи. У него не было опытных данных — многие эксперименты появились сто лет спустя.
Но гениальный ученый смотрел вперед, далеко обгоняя свое время.
Ведь в конце концов действительно дело не в арифметике. Раз скорость движения молекул падает при охлаждении — должен быть предел, так как остановиться, замереть молекулы не могут.
Кажется, простой вывод. Как будто все ясно и так. А между тем надо было быть гениальным Ломоносовым, чтобы утверждать это в конце XVIII века, когда наука только еще становилась на ноги, когда мрак средневековья сменился узенькой полоской неяркого света. И главное — то, что Ломоносов дал представление об абсолютном нуле не из арифметических подсчетов, а используя глубокие представления о строении мира.
Гений выше других на много голов и видит он далеко вперед!
Однако предвидения Ломоносова стали законами физики лишь сто лет спустя.
Сразу же после Гей-Люссака за газы взялся английский ученый Уильям Томсон. Он, можно сказать, окончательно разделался с абсолютным нулем.
Томсон известен больше под другой фамилией, так как за научные заслуги ему был пожалован титул лорда Кельвина. Английский ученый, в частности, предложил новую шкалу для измерения температур. Она так и называется теперь: абсолютная шкала температур, или шкала Кельвина. Обозначаются градусы Кельвина буквой «К». Например, 20° К — двадцать градусов по шкале Кельвина. Удобна эта шкала, между прочим, тем, что у нее нет отрицательных и положительных температур. Все температуры — положительные, так как отсчитываются они от абсолютного нуля. Абсолютный нуль — нуль термометра Кельвина. Что касается значения одного градуса шкалы Кельвина, то оно совпадает с привычной нам шкалой Цельсия. Там тоже две опорные точки: замерзание воды и кипение ее. Расстояние между ними Кельвин разбил на 100 частей. И отложил 273 такие части вниз от бывшего нуля Цельсия — точки замерзания воды. Тут он и поставил значок «0». Конечно, сделал он это мысленно, на бумаге. В действительности в стране сверххолода обычным термометром ничего не сделаешь. И ртуть и спирт замерзнут. Измерение сверхнизких температур — дело очень хитрое и тонкое.
Сейчас во всех странах мира принята система единиц «СИ». Тут и знакомый нам метр, и секунды, и ампер, и ом.
Поделиться книгой: