Занимательные опыты, или Чудеса без чудес. Увлекательная физика для маленьких учёных

Нечаев Александр Николаевич

В то время склоны Рассберга были покрыты жилищами, а у подошвы лежали богатые деревни (Гольдау, Безинген, Ловерц). Грозный обвал уничтожил их в мгновение ока. На месте их лежала безотрадная пустыня, усеянная обломками скал, деревьев и брёвен… Всего было разрушено более 100 домов, а число человеческих жертв доходило до 4,5 сотни. Они заживо были погребены под развалинами или погибли от ран.

Такие же обвалы случались не раз и у нас на Кавказе.

Странный случай с самоваром

Однажды мне пришлось наблюдать такое интересное явление. Был подан на стол самовар. Из-под крышки валил пар. Стали заваривать чай, и оказалось – вода холодная! Попробовал я самовар рукой: вверху и дотронуться нельзя – так он горяч, а внизу совсем холодный. Первый раз в жизни наблюдал я такой удивительный случай! Посмотрел я в трубу: она полна углей. Угли так

и пышут; над ними длинные синие языки: самовар разогрет на славу. Но когда я вылил воду и опростал от углей трубу, всё объяснилось. Оказывается, наложили в трубу плотных покупных углей почти до самого верха и на них насыпали горячих углей из-под плиты. Верхние угли разгорелись, а нижние как были положены, так и остались тёмными. Вверху вода сильно нагревалась и скоро закипела, внизу осталась холодной. Вышел преинтересный опыт, которого нарочно, пожалуй, и не сделаешь.

«Странно! – скажете вы, если видели, как работает самовар. – Сколько раз приходилось видеть, что в самоварной трубе лежит угольков чуть на донышке, а самовар отлично нагревается весь, и вода закипает не только внизу, а вся» 9 ^*.

Но в этом странного ничего нет: так и быть должно. Если самовар или какой-нибудь сосуд нагревается снизу, то находящаяся в нём вода скоро закипит вся; а если мы станем нагревать сосуд сверху, то произойдёт что-нибудь вроде того, что сейчас было рассказано; во всяком случае, нагреется только верхний слой. Почему же? Дело очень просто.

9

То же самое происходит и с чайниками – нагревающий элемент у них находится снизу, а кипит вся вода.

В воде теплота медленно передаётся от частицы к частице, и наш самовар не нагрелся бы никогда, если бы частички воды оставались неподвижными. А они приходят в движение, и вот почему. Тёплые, нагревшиеся внизу слои воды расширяются, делаются легче и потому всплывают наверх. Их вытесняют сверху холодные частички, которые нагреваются, делаются лёгкими и опять идут вверх. И чем больше мы нагреваем самовар, тем всё быстрее и быстрее движутся частички. Скоро вода начинает кипеть. Она нагрелась потому, что частички воды забирали тепло внизу, где больше всего горячих углей, и переносили его вверх.

Теперь посмотрим, что произойдёт, если мы станем нагревать воду сверху. Верхние слои воды нагреются, сделаются легче, чем были, и останутся на своих местах. Тяжёлая холодная вода не может прийти на их место; она останется внизу. Никакого движения в самоваре не произойдёт: всё останется спокойным. Между тем верхний слой будет нагреваться всё больше и больше, и может случиться, что он закипит в то время, как большая часть воды под ним останется холодной. Вот почему в самовар не следует накладывать много углей, пока не разгорелись угли в нижней части трубы.

Но вот вода в нашем самоваре закипела, и пар клубами валит из-под крышки. Не правда ли, хорошо понаблюдать над этим интересным, хотя и таким обыкновенным явлением? Но что делается в самоваре, не видно. Поэтому сделаем особый опыт в стеклянной посуде…

Как кипит вода

Возьмём хорошую стеклянную колбу, наполним её водой и вскипятим на пламени спиртовой лампы. Вот вода начала нагреваться, и снизу побежали пузырьки: один, другой, третий… Что это такое? Пузырьки какого-то газа. В воде растворён воздух: это ясно хотя бы из того, что в воде живут рыбы; без воздуха вся рыба, живущая в воде, погибла бы, ей воздух нужен для дыхания. Но в холодной воде воздуха растворяется больше, чем в горячей; и вот, как только вы начинаете нагревание, лишний воздух выходит пузырьками и поднимается. Чем больше вы нагреваете, тем больше пузырьков поднимается. Наконец вода начинает кипеть, и к пузырькам газа присоединяются пузыри пара. Эти пузыри поднимаются и лопаются; колба всё более и более наполняется парами, но они невидимы и только по выходе из горлышка образуют белые клубы видимого пара; от соприкосновения с воздухом невидимый водяной пар охлаждается и превращается в видимые мельчайшие водяные капли 10 .

10

Следовательно, то, что мы в повседневной жизни неправильно называем паром, есть, собственно, не пар, а жидкая вода в мелко распылённом состоянии.

Теперь вооружимся хорошим термометром

и опустим его в воду. Удивительное явление! Сколько мы ни нагреваем колбу, температура остаётся та же – 100 °C. А вода всё кипит и кипит, всё меньше и меньше становится её в колбе… Если мы поднимем термометр так, чтобы он не касался воды, а стоял в горлышке, в водяном паре, то и здесь он не изменит своих показаний: ртуть будет стоять всё на 100 °C… Неужели же наша лампа более не греет? Куда девается её тепло? Тепло затрачивается на превращение воды в пар. Оно, как говорят, переходит в скрытое состояние. Водяной пар набирает тепло и, поглощая, сохраняет. Когда же, наоборот, мы пар охладим и он превратится в воду, скрытая теплота опять станет явной. Поэтому паром можно пользоваться для нагревания. На этом и основано бывшее ранее в широком ходу паровое отопление. В подвальном этаже устраивают печь и в неё вмазывают большой котёл. От этого котла проводят трубы по всему дому. Котёл наполняют водой. Вода обращается в пар. Пар расходится по трубам, сгущается здесь в воду, отдаёт им своё скрытое тепло; трубы нагреваются и нагревают окружающий их воздух.

Но ведь испарение воды часто происходит и без нагревания. Мы знаем, что небольшое количество воды, оставленное на блюдечке, исчезает, испаряется. Каким же образом здесь превращается вода в пар? Без затраты теплоты? Конечно нет. Откуда же она берёт теплоту? Из себя и окружающего воздуха. Вот почему всякое испарение понижает температуру. Летом в местностях, богатых водой (где, следовательно, происходит сильное испарение), всегда бывает прохладнее, чем в местностях сухих.

Не только при испарении воды охлаждается окружающий воздух. То же самое происходит при испарении всякой жидкости; и если взять жидкость, испаряющуюся быстрее воды, то можно получить даже очень низкую температуру. Так, испарением эфира можно воспользоваться для замораживания воды. Для этого обёртывают нижнюю часть пробирки слоем ваты, наливают в пробирку немного холодной воды и, обильно смачивая вату эфиром, направляют на неё струю воздуха (можно просто махать плоским предметом). Вода в пробирке сильно охладится и наконец замёрзнет.

Чай изо льда

Не всегда можно достать для чая воду. Я не говорю уже о полярных странах, где в долгую холодную зиму вся вода превращается в лёд и даже нередко реки промерзают до самого дна. Но иногда и в жаркой местности приходится самовар наполнять не водой, а льдом.

Однажды, проводя лето в Крыму близ Алупки, задумал я в компании добрых друзей подняться на Ай-Петри. Это красивая вершина яйлы, причудливыми зубцами поднимающаяся над её гребнем. Мы взяли проводника-татарина, запаслись на всякий случай верховыми лошадьми, которые, кстати, везли наш багаж, а сами пошли пешком. Я не стану рассказывать о том, как дивно прекрасна была дорога, как скоро вступили мы в лес и встретили в нём наших северных знакомых – сосны, как временами на крутых обрывах перед нашим взором развёртывались дивные пейзажи. Наконец после пятичасового утомительного пути с несколькими передышками мы были на вершине. Перед нами – свет и простор. Внизу плывут и останавливаются облака, а под ними чистейшей синевой сверкает море. Кругом ровная степь, сухая трава, камни, кое-где жалкий кустарник. Полюбовались мы дивной картиной и вспомнили о чае. Надо достать воды. Проводник объявил нам, что до ключа далеко и надо спускаться, а снега – сколько хочешь. Мы заинтересовались. Проводник повёл нас к яме, которая воронкой суживалась книзу, – это, должно быть, провал над какой-нибудь бездонной пещерой. Кругом ямы, кустарник. Мы раздвигаем его и спускаемся в яму. Она полна снегом, белым, чистым; на нём нет и следов пыли или копоти, как на нашем городском снегу. Мы наполнили им чайник, взяли ещё про запас в большую салфетку и развели костёр. В чайнике снег таял и превратился в чистую воду. Но её было немного. Мы стали прибавлять в неё снег, принесённый в салфетке, и мало-помалу чайник наполнился доверху.

Интересно наблюдать с термометром над таянием льда. Возьмём чашку с водой, положим в неё кусок льда и поставим в неё термометр. Если вода была комнатной температуры, то температура начинает падать. Но вот она дошла до нуля и остановилась. Пока в чашке имеется лёд, температура не изменяется. Но ведь в комнате тепло! Отчего не нагреется вода от окружающего воздуха? Она и получает от него тепло, но только отдаёт его тающему льду. Тепло затрачивается на превращение льда в воду, переход в «скрытое» состояние. Это тепло снова вернётся, перейдёт в явное состояние, как только вода опять замёрзнет. Как ни странно, но при замерзании воды остальная, незамёрзшая вода и, частью, окружающий воздух приобретают от неё некоторый запас тепла.