Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Бердышев Сергей Николаевич

Броун, разумеется, не мог наблюдать перемещений молекул, а лишь видел при помощи микроскопа смещения ничтожно малых растительных спор в воде. Подвижные водные молекулы ударяли по спорам растений. Суммарный удар большого числа молекул с одной стороны заставлял каждую спору двигаться в противоположную сторону, куда ударов приходилось меньше. Точно таким же образом молекулы соударяются одна с другой. Во время подобных соударений происходит обмен энергией. Всякому случалось опускать в горячий чай холодную ложечку, чтобы она его остудила.

Данный пример демонстрирует одно из неизбежных

последствий молекулярного теплообмена. Быстрые молекулы горячей воды ударяют в ложечку и расшатывают ее молекулы. Энергия водных частиц растрачивается, и чай действительно немного остывает, а вот ложечка при этом обычно сильно нагревается. Получается, что горячее то тело, молекулы которого имеют наибольшую скорость (максимальную энергию). Но это касается однородных тел. Воду можно перевести в газообразное состояние, если нагреть ее до температуры +100 °C, при которой человек получает ожоги.

Однако водяной пар является газом, как и воздух, состоящий из смеси газообразных азота и кислорода. Тем не менее температура воздуха сравнительно низка, она не поднимается выше +56 °C. Дело в том, что молекулярное строение воздушных газов отлично от воды. Связи между их частицами непрочны и разрушаются уже при отрицательных температурах. Поэтому кислород становится газом при -182,96 °C, а азот — при -195,8 °C. В целом воздух как сложная смесь кипит при температуре -193 °C (все величины даны для нормального давления).

Частицы в газах обладают максимальными скоростями в мире молекул, однако разные газы получаются при разных температурах. Кипение каждого вещества происходит, если сообщить телу некоторое количество энергии. Обычно говорят о теплоте кипения. Точно так же существует теплота плавления, обнаруженная Блэком. Здесь-то как раз и проявляется разница между температурой и теплотой. Чтобы нагреть тело до определенной температуры, требуется сообщить ему некоторое количество энергии, т. е. какое-то количество теплоты.

Однако для перевода тела в новое агрегатное состояние (твердого — в жидкость, жидкости — в пар) недостаточно нагрева до температуры плавления или кипения. Нужно сообщить еще некоторое количество теплоты (энергии), которое пойдет на разрыв связей между молекулами. Вода кипит при температуре +100 °C. Однако легко представить, как надолго затянется попытка полностью перевести воду в пар посредством кипения.

Чтобы вода выкипела, мало сообщить ей температуру кипения. Требуется придать жидкости количество теплоты, необходимое для выкипания — превращения всего объема воды в пар. Оттого, к слову, ожоги от пара гораздо болезненнее, чем ожоги от кипятка. Пар обладает большим запасом энергии, т. е. большим количеством теплоты.

Кому-то может показаться, что энергия теплота тождественны. Отчасти так оно и есть. Теплота представляет собой т. н. тепловую энергию, особую разновидность энергии вообще. Этот вид энергии можно перевести в другие виды. На этом принципе основано строение всех тепловых машин: выделяемая ими теплота преобразуется в механическую энергию, которая становится работой.

Воздух

насыщен водяным паром. Как же получается, что человек не обжигается этим паром. Причин тому несколько, и открыты они были учеными не сразу. Следует сказать, что молекулы пара затрачивают свою энергию вследствие соударений с «холодными» воздушными молекулами. В результате скорость движения водяных частиц в атмосфере резко падает, пар остывает. Оттого в высших ее слоях протекают процессы конденсации, осаждения капельной влаги. Вода возвращается в жидкое состояние. Из бесчисленных мельчайших капелек складываются облака.

Второй причиной является то, что мы не ощущаем ударов отдельных молекул, а газы в атмосфере сильно перемешаны. Поэтому конденсация влаги протекает лишь на больших высотах, где падение температуры воздуха более чем заметно. Смешение молекул с разными скоростями приводит к тому, что средняя скорость частицы воздуха резко отличается от максимально и минимально возможных значений. Получается, что воздух состоит из усредненных молекул, определяющих его температуру, которую можно ощущать и измерить.

То же самое касается и всех остальных веществ в любом из агрегатных состояний. Внутри жидкости, газа и твердого тела (даже химически однородного, т. е. состоящего из одинаковых молекул или одинаковых атомов) всегда найдутся быстрые частицы и медленные. Любопытно, что нередко разница оказывается весьма существенной. Некоторые молекулы при средней температуре тела +20 °C двигаются неактивно: эти «ленивцы» преодолевают за единицу времени такое же расстояние, какое соответствует морозу в -50–100 °C. Зато наиболее быстрые движутся на скоростях, отвечающих жаре в +100–150 °C. Известны и более существенные расхождения.

Если бы ученые располагали прибором, способным отсортировать молекулы по скоростям, то обычным воздухом в комнате (а стало быть, при комнатной температуре) удалось бы вскипятить без проблем 100 г воды. К сожалению, такой прибор невозможен. Он называется «демоном Максвелла», поскольку впервые именно английский физик Дж. Максвелл открыл разделение молекул по скоростям и указал на невозможность создания такого устройства. В природе не существует фильтра для быстрых и медленных молекул.

Изобретение термометра

Человек изобрел немало способов измерять температуру окружающих его тел. До нашего времени сохранились несколько градусных шкал температуры, построенных на основе первых термометров самого разного устройства. Поразительно, что элементарный градусник не является больше научным инструментом, хотя первоначально был таковым. Ныне он нашел широчайшее применение в промышленной химии, технике, метеорологии, ветеринарии и, конечно же, в медицине.

Изобретателем замечательного измерительного прибора, полезного всем, являлся знаменитый человек. Самый первый градусник, как принято считать, создан великим механиком и астрономом Г. Галилеем, который разработал немало самых разнообразных технических приспособлений для проведения замеров во время своих экспериментов. Устройство Галилея, вошедшее в историю под названием термоскопа, сконструировано в 1597 г.