Температура: мера движения

В рассуждении о переходах, которые вещество может совершать между различными состояниями, мы должны ненадолго отклониться от прямого пути и поговорить, во‐первых, о нашей модели для понимания тепла, а во‐вторых, о системе измерений, которую мы используем для его описания. Как нам известно из повседневного опыта, твердая форма воды (лед) — холодная, а газообразная форма (пар) — горячая. Но что такое «холодный» и «горячий»? Оказывается, это просто слова, необходимые нам, чтобы выразить характер относительного движения наших элементарных частиц: горячий = быстрый, а холодный = медленный. То, что мы называем температурой, — это просто непосредственная мера средней энергии движения, также называемой «кинетической энергией» (см. гл. 4) этих частиц.

Элементарные частицы воды в кубике льда соприкасаются друг с другом. Они закреплены на месте, но вибрируют (если угодно, дрожат) со скромным количеством энергии в расчете на частицу. Если поднять температуру, частицы будут вибрировать быстрее. Если повысить ее до достаточного уровня, то связи, удерживающие частицы на местах, разорвутся, и тогда частички смогут свободно скользить друг над другом, а мы получим жидкость. Это происходит, когда температура достигает 32 °F, или 0 °C. Продолжая нагревать воду, мы заставляем частицы двигаться быстрее и быстрее, до тех пор, пока, при 212 °F или 100 °C, они не разлучатся с соседями окончательно и не получат возможность свободно улетучиться прочь в форме газа.

При той или иной температуре не все частицы вещества движутся с абсолютно одной и той же скоростью; некоторые перемещаются быстрее, чем все в среднем, а некоторые — медленнее. Распределение скоростей (или, более точно, кинетических энергий = ½ mv2) отражено в виде кривых, представленных на рис. 3.1. Поскольку ни одна частица не может двигаться медленнее нуля, распределение немного асимметрично, а несколько частиц движутся намного быстрее среднего значения (например, если одна ничего не подозревающая частичка водяного пара получит удар от четырех других, пришедших слева, она с высокой скоростью устремится вправо). Но в общем и целом энергия большинства частиц не превышает среднее значение более чем в два раза3.

Температурные шкалы, которыми мы пользуемся для измерения энергии частиц, как и большая часть единиц измерения, условны. Нулевую отметку на шкале Фаренгейта определил в 1724 году сам Фаренгейт — она обозначала самую холодную температуру, которой он смог добиться, смешав воду, лед и соль (письменные свидетельства не сообщают, сумел ли он в ходе этого эксперимента изготовить хотя бы немного мороженого). Определение градуса, данное им, было совершенно произвольным, из-за чего точка замерзания воды на его шкале пришлась на отметку в 32 °F, а точка кипения — на отметку в 212 °F. Даже эти величины применяются лишь на уровне моря (например, в Денвере вода закипает при 190 °F, а в Ла-Пасе, Боливия, — при 203 °F)4. Стоградусную шкалу (также называемую шкалой Цельсия) изобрел двумя десятилетиями позже шведский астроном Андерс Цельсий. На ней точку замерзания и кипения воды разделили 100 градусов; для сравнения, на шкале Фаренгейта эти две отметки разделены промежутком в 180 градусов, тем самым каждый градус Цельсия равен 9/5 (180/100) градуса Фаренгейта.

Обе эти шкалы были приняты задолго до того, как мы поняли, что же на самом деле измеряет «температура». Теперь, когда нам известно, что она представляет собой меру кинетической энергии частиц, единственной разумной шкалой могла бы стать такая, на которой нулевая отметка обозначала бы состояние полной остановки их движения (v = 0, следовательно, кинетическая энергия = 0). Эта шкала, благоразумная с точки зрения физики, названа в честь лорда Кельвина — создателя современной модели для нашего представления о тепле. Он принял градуировку, предложенную Цельсием, так что точку замерзания воды и точку ее кипения на уровне моря по-прежнему разделяли 100 градусов, но точка нулевого движения была установлена на отметке в –273,16 °C. Поэтому мы говорим, что вода замерзает при 273 К (строго говоря, эти единицы измерения называются не градусами Кельвина, а кельвинами) и закипает при 373 К. Температура поверхности Солнца — 5780 К, а комфортная температура в комнате составляет 68 °F = 20 °C = 293 K.

Эта модель обладает невероятной объяснительной силой. Например, если вы выпекаете печенье с шоколадной крошкой, то ваша духовка, скорее всего, установлена на температуру в 190 °C. Если вы откроете дверцу, чтобы посмотреть, готово ли печенье, и случайно коснетесь подставки, на которой располагается противень, то получите ожог. Почему? Просто частицы, из которых состоит металл противня, вибрируют с высокой скоростью, из-за чего со всей силы врезаются в частицы вашей кожи и разрывают их на части, превращая их… ну, в обожженные частицы кожи. Но постойте, почему вы вообще можете сунуть руку в духовку, нагретую до 190 °C? Разве частицы воздуха не движутся с такой же быстротой? Да, движутся, но, как уже говорилось выше, в расчете на каждый квадратный сантиметр вашей кожи их в воздухе в 1000 раз меньше, и пусть даже он может повредить несколько частичек вашей кожи, вы все равно избавитесь от них через несколько дней, так что никакого вреда не будет. Впрочем, если бы вы оставили руку в духовке не на краткую секунду, а, скажем, на 20 минут (иными словами, продержали бы ее там в 1000 с лишним раз дольше), то ваша рука действительно бы стала похожа на подгорелое печенье с шоколадной крошкой. Заметим, что вы реально чувствуете тепло духовки, когда суете туда руку. Так происходит именно потому, что частицы воздуха в духовке летают намного стремительнее, чем частицы воздуха в комнате, и их более энергичные соударения с вашей кожей приводят к тому, что вы ощущаете «тепло».

Рис. 3.1. Кривые, отражающие распределение скоростей частиц воды при 0 °C и 100 °C. Поскольку ни одна частица не может двигаться медленнее 0 м/с, обе кривые усечены слева. Вертикали представляют средние скорости, которые из-за усечения оказываются немного выше самой распространенной. Обратите внимание, что средняя скорость частиц в кипящей воде составляет примерно 640 м/с, или 2300 км/ч (!), а некоторые движутся в несколько раз быстрее

Получается, что моя недавняя реплика — о том, что вы не «чувствуете» воздух, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эти строки, — не совсем соответствует реальному положению дел. Вы чувствуете воздух, поскольку его температура определяет скорость, с которой его частицы ударяются о вашу кожу. Эта скорость может доходить до триллионов раз в секунду, и именно благодаря этому, в свою очередь, возникает испытываемое вами ощущение тепла, холода или «подходящей» температуры.

Эта модель также объясняет, как ваша посуда ухитряется высохнуть (то есть испарить все капельки воды, которые на ней находятся), когда вы оставляете ее просушиться на ночь, — даже несмотря на то, что температура в комнате (на что я очень надеюсь) никогда не достигает точки кипения воды (100 °C). В среднем скорость частиц воды на посуде равна скорости частиц в воздухе, поскольку они постоянно соударяются и уравновешивают свои энергии. Их средняя скорость намного меньше той, какая необходима, чтобы перевести частицу воды из жидкой формы в газообразную. Впрочем, не будем забывать, что существуют некоторые частички воды (и воздуха), которые движутся намного быстрее средних значений, и они могут достигать скорости высвобождения; именно эти стремительные частицы и теряет капля. Когда это происходит, средняя скорость частиц падает (если вычесть самые быстрые, то среднее значение понизится). Если бы на этом все и закончилось, то утром вам потребовалось бы полотенце для кухонной посуды. Но в вашей комнате — просторном хранилище воздушных частиц — все еще содержатся некоторые из быстрых частиц, и когда они соударяются с водой, оставшейся в капле, средняя скорость снова возрастает, и высокоскоростной конец распределения заполняется вновь (рис. 3.1). Эти молекулы воды, в свою очередь, тоже могут улетучиваться, и процесс продолжается до тех пор, пока вся жидкость не превратится в газ, благодаря чему утром вы сможете убрать с подставки сухую посуду.

Эта тепловая модель также объясняет, почему мы потеем. Наше тело так тонко настроено, что оно работает при температуре примерно в 37 °C, и любое отклонение от этой величины вызывает немедленный отклик. Если мы активно занимаемся спортивными упражнениями, то обращаем химическую энергию, запасенную в мышцах, в избыточное тепло, от которого телу необходимо избавиться. Один механизм, предназначенный для этого, задействует наши потовые железы, из-за чего на нашей коже появляются капельки воды. Частицы кожи, покачиваясь немного сверх меры — если говорить о том, как это «воспринимает» наше тело, — передают часть своей энергии частицам воды, заставляя самые быстрые улетучиваться и тем самым уносить энергию с кожи, остужая последнюю. При нанесении ацетона на кожу мы чувствуем холод, поскольку точка его кипения намного ниже, чем у воды (всего лишь 56 °C), поэтому при нормальной температуре тела многие из частиц ацетона начинают двигаться достаточно быстро и переходят в газообразную форму, унося с собой колебательную энергию ваших частиц и заставляя кожу почувствовать холод.

И абсолютно все, от того, почему остывает вода в ванной5, до того, почему земная атмосфера не падает вниз6 (подсказка: она падает), а также от того, почему нагревается ваш велосипедный насос7, до того, почему ваш кондиционер остужает комнату8, объясняется этой моделью, в которой температура представляет собой просто меру скорости движения частиц.

Те самые «частицы» — атомы и молекулы

Теперь настало время снова вернуться к изначальной теме главы. Нужно сказать, что до сих пор мы игнорировали все, что мы знаем о внутренней структуре атомов, и принимали древнегреческую идею, согласно которой каждое вещество обладает мельчайшей единицей — именно их я на протяжении всей нашей беседы именовал частицами. Но что именно собой представляют частицы, составляющие серебряную ложку или каплю воды? Демокрит и Левкипп утверждали, что они «неделимы» (напомню, от греческого atomos — «неразрезаемый») и существуют в бесконечном множестве размеров и форм, чем легко объяснялось наличие миллионов различных веществ, составляющих наш мир. Теперь нам известно, что обе гипотезы неверны. Атомы вовсе не обладают неделимостью, а миллионы веществ состоят из особых сочетаний девяноста четырех уникальных строительных блоков9.

То, что я называл «частицами», — это либо один из девяноста четырех типов таких единообразных блоков, которым мы, пренебрегая этимологией, присвоили имя «атомов», или одна из миллионов «молекул», четко определенных сочетаний, в которые атомы вступают друг с другом. Серебро — это один из девяноста четырех базовых «кирпичиков», и атомы Серебра, соединяясь, могут создать серебряную ложку. Вода — это сочетание двух базовых «кирпичиков», Водорода и Кислорода, которые в пропорции 2:1 формируют молекулу H2

Конец ознакомительного фрагмента