Физика без формул

Наверное, вам чуть ли не с детского сада известно, что при нагревании тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. Эту способность тел менять свои размеры в зависимости от температуры люди научились использовать или учитывать давно. Например, железную шину насаживали на колесо телеги, когда она была раскалена. Шина, остывая, туго стягивала колесо. Или посмотрите на колею железной дороги. Между отдельными отрезками рельсов оставляют промежутки для их возможного теплового расширения.

Это явление оказалось очень полезным при измерении температуры. Если к концу металлической пластинки приделать стрелку, то она, меняя свое положение при нагреве и охлаждении пластинки, укажет, какова ее температура. Может быть, в духовках ваших кухонных плит есть термометр, сделанный из металлических пружин? Если он вынимается, рассмотрите, как он устроен.

Более удобными для этой цели оказались жидкости. Скажем, в медицинских и комнатных термометрах применяют подкрашенный спирт или ртуть. Расширяясь при нагревании, они поднимаются вверх по узким трубочкам, вдоль которых наносят деления температурной шкалы.

Есть и газовые термометры, использующие тот же эффект. Но во всех случаях расширения тел мы можем обратиться за помощью к молекулярной теории, чтобы разобраться с этим явлением. И здесь мы получим почти очевидный ответ. С ростом температуры молекулы становятся более подвижными, и им требуется больше места. Расстояние между молекулами растет, а мы это замечаем как увеличение общего объема тела.

Представьте себе танцевальный зал. Сколько в нем может уместиться человек? Если запускать их в зал по одному и плотно приставлять друг к другу, то туда набьется людей, как «сельдей в бочке». Но если вы попросите их потанцевать, в такой тесноте вряд ли что-нибудь выйдет. Чем зажигательнее танец, тем меньше народу останется в зале – остальным придется покинуть помещение. Произошло как бы «тепловое расширение» танцующей публики, и часть ее вытеснилась наружу.

Как плавятся металлы и замерзает вода?

Что происходит, когда плавится металл? Первое, о чем мы можем сказать, очень наглядно. Был твердый кусочек, а превратился в жидкость. Но ведь это – одно и то же вещество, скажем, олово. Его, кстати, очень легко «растопить», нагревая в железной ложке или паяльником. Что же все-таки привело к такой внешней перемене в металле?

Если обратиться к идее о «зернистой» структуре вещества, то можно будет ответить так. Плотно пригнанные друг к другу мельчайшие частички – атомы олова – при нагревании все интенсивнее двигались. В какой-то момент (у каждого вещества свой) им уже не хватило места для «суеты» друг около друга. Иначе говорят, что тесные связи между атомами разорвались. Атомы получили возможность не только колебаться на местах, но и кружиться друг относительно друга. А это – уже поведение мельчайших частичек жидкости.

В каком-то смысле это явление походит на взвод солдат, стоящий по стойке «смирно». Каждый из воинов не меняет своего положения относительно соседей, но ведь при этом он дышит, моргает глазами и, если захочет, может пошевелить ушами. Согласитесь, что от таких движений строй не нарушится. Прозвучала команда «вольно». Солдаты стали переминаться с ноги на ногу, поворачиваться, меняться местами. Разве это не напоминает поведение атомов при плавлении металла?

Генри Бессемер (1813—1898) – английский изобретатель. Предложил усовершенствовать тяжелый артиллерийский снаряд, для чего потребовался более быстрый и дешевый способ получения литой стали. Создал метод, по которому сталь переделывается из чугуна продувкой воздуха, чем снизил стоимость металла в несколько раз.

Подобный процесс происходит, когда взводу (или олову) прикажут вновь стать по стойке «смирно». Только такой приказ «прозвучит» для атомов тогда, когда расплавленный металл начнут охлаждать. Особенности перестройки атомов при плавлении и кристаллизации – возвращении в твердое состояние – необходимо учитывать, скажем, при литье металлов. Как правило, объем твердого вещества меньше, чем его же в жидком состоянии. Это надо знать при подготовке форм для литья.

А вот у воды – наоборот. Превращаясь в лед, она расширяется. Представьте, что было бы, если бы лед не всплывал, а тонул. Все дело в том, что при кристаллизации воды происходит необычная перегруппировка ее молекул. И хотя строение льда выглядит более упорядоченным, его объем возрастает, он становится более «рыхлым». При этом, если льду препятствовать при расширении, возникают огромные силы. Так разрываются замерзшие трубы водяного отопления или трескается стеклянная бутыль с водой, оставленная на морозе.

Отчего, испаряясь, вода холодит?

Что вы чувствуете, когда даже в жаркий день выходите, искупавшись, из воды? Бывает, особенно в ветреную погоду, что, как говорят, мороз по коже, даже пупырышками покрываемся. Почему же мы мерзнем?

Еще малюсенький опыт. Капните на ладонь воды и подуйте на нее. Ощутили холодок? Ясно, что дело в испарении воды. Превращаясь в пар, она отбирает у нас тепло. Похожие вещи творятся в чайнике с кипящей водой. Ведь если бы мы постоянно ее не подогревали, образующийся пар отнял бы у воды теплоту и охладил бы ее.

Эти примеры показывают, что на испарение требуется энергия. Превращаясь в газ, жидкость либо охлаждается, либо поддерживает свою температуру, отбирая энергию-теплоту у окружающих тел.

Обратный процесс – конденсация – должен тогда, напротив, приводить к выделению теплоты. Так, скажем, нагревается зеркальце, подставленное под струю пара из носика чайника. Осевшие на зеркальце капельки воды приведут к его нагреву. Похожий процесс мы наблюдаем, когда выпадает первый снег. Как правило, в это время происходит потепление.

А как объясняет эти явления молекулярно-кинетическая теория? Она нарисует картину, в которой испарение предстанет как уход самых быстрых молекул из жидкости в воздух. Оставшиеся же, если не передать энергии извне, будут двигаться все медленнее.

Необходимо помнить, что испарение и кипение – вовсе не одно и то же. Об этом говорит хотя бы то, что испарение, например, воды происходит при любой температуре. Испаряться может даже лед, иначе белье не сохло бы на морозе. А вот кипит вода, как вы знаете, лишь при 100 градусах. Причем у каждой жидкости кипение, то есть бурное выделение пузырьков, начинается при своей определенной температуре. И плавление, кстати, также происходит у каждого вещества в свой срок – лишь когда его температура достигнет определенной величины.

Почему выпадает роса?

Почему в сводках погоды, помимо давления и температуры, нам еще часто сообщают о влажности? Многие люди порой даже переезжают из одного района в другой, жалуясь на очень сырой, либо, наоборот, очень сухой климат. И вы, наверное, замечали, как меняется ваше самочувствие, если воздух сух или влажен.

Влажность – это наличие в воздухе паров воды. Водяной пар, как и воздух, невидим, и на глаз определить, много его там или мало, нельзя. Но вот если вы положите рядом два термометра, один из которых наполовину прикрыт мокрой тряпочкой, то заметите, что через некоторое время показания «мокрого» термометра стали меньше. Недолго думая, вы скажете, что причина этого в испаряющейся воде. Однако понаблюдайте подольше за термометрами и вы обнаружите интересную зависимость.

В те дни, когда воздух насыщен влагой, очень сырой, термометры покажут почти одну и ту же температуру. А вот когда подолгу не льют дожди, и воздух сух, испарение воды идет интенсивнее и «мокрый» термометр покажет значительно меньшую температуру, чем сухой. Значит, дело в том, что влажный воздух, как говорят, более насыщен парами воды. И когда это насыщение достигнет предела, своего для каждой температуры, насыщаться ему дальше будет некуда. Что же тогда произойдет? Вы правы, начнется обратный процесс – конденсация.

Вот почему, кстати, у облаков бывают плоские «днища». Теплый воздух, поднимаясь вверх, уносит с собой невидимые пары воды. По мере подъема температура падает, на какой-то высоте пары становятся насыщенными и начинают конденсироваться в капельки. Отсюда и «начинается» облако.

Или еще пример, уже на земле. Когда выпадает роса? Тогда, когда температура воздуха падает, а это происходит в самое холодное время суток – ночью или рано утром. В этот момент пары становятся насыщенными, и на почве, на листьях растений, на перилах лестниц мы обнаружим капельки – росу. Это состояние называют стопроцентной влажностью. Понятно, что при потеплении роса испарится, а влажность станет меньше.

Чтобы поддержать в домах или при путешествиях – в автобусах и вагонах – комфортные температуру и влажность, человек изобрел кондиционеры и увлажнители воздуха.

Можно ли воду носить в решете?

Одни из вас, вспомнив известную пословицу, тут же скажут: нет, нельзя! Другие, вспомнив известный опыт, сразу воскликнут: да, можно! Что же это за опыт?

Наверное, у каждого на кухне найдется сито для просеивания муки. Попробуйте им зачерпнуть воды. Ясное дело, ничего не выйдет – на то оно и сито-решето. А вот если на мгновение погрузить его в жидкий парафин от свечи, только так, чтобы парафин не затянул дырочки насовсем, то такое сито носить воду сможет. Наливать ее в сито надо очень аккуратно, и тогда можно перенести заметное ее количество.

Почему же теперь вода не выливается? Если посмотреть снизу на наше сито, то можно заметить, что в каждой дырочке словно набухла капля, вода «выгнулась». Не напоминает ли это вам каплю, висящую на кончике пипетки? В обоих случаях кажется, что вода находится как бы в мешочке, в пленке. Еще такую пленку можно обнаружить, когда вы по капле добавляете воду в уже наполненный доверху стакан. Вода словно взбухает, «выгибается» вверх, но довольно долго через край не переливается.

Еще один опыт. Повращав между пальцами маленькую стальную иголку, осторожно положите ее на поверхность воды – не потонет! Взглянув сбоку, можно заметить прогиб водяной пленки под иглой. Еще водомерки скользят по лужам и не тонут. Еще… Стоп!

Оказалось, что опытов и наблюдений над водяной пленкой – множество. Что же это за свойство воды? Молекулярное строение вещества подскажет нам, что на поверхности не только воды, но и всякой жидкости мельчайшие их частички взаимодействуют по-иному, нежели внутри. Они как бы стремятся уйти в середину, придать поверхности форму с самой маленькой площадью, натянуть на жидкость «пленку». Вот почему в невесомости вода собирается в шарики. Такая форма жидкости соответствует минимальной площади ее поверхности.

Что тянет воду вверх?

Вы не раз замечали, как в тоненьких «соломинках» – пластмассовых трубочках, из которых вы тянете коктейли или соки, – застревает жидкость. И чтобы от нее освободиться, надо «соломинку» встряхнуть или продуть ее. Что же мешает соку или воде самостоятельно вытечь из соломинки?

Если очень внимательно посмотреть на края поверхности воды в неполном стакане, то можно сказать, что они, изогнувшись, будто натянулись на стенки. Однако, если внутренние стенки стакана смазать жиром, то поверхность у краев станет не вогнутой, а выпуклой, словно подожмется.

Отчего так ведет себя вода? Видимо, ее молекулы в одних случаях сильнее тянутся к молекулам вещества стенки, чем друг к другу, а в другом – наоборот, как бы отталкиваются от стенки. Это хорошо заметно, когда пипеткой выдавливают одну каплю воды на чистое стекло, а другую – на загрязненное, масляное. Первая капелька буквально распластается по стеклу, «притянется»; вторая – «подожмется», сохраняя форму, близкую к шарику. Говорят, что чистое стекло смачивается водой, а загрязненное – нет.

Вот и получается, что смачивающая стенки узкой трубочки вода потянется по ним вверх. А, скажем, не смачивающая стеклянную трубочку ртуть опустится в ней вниз при погружении трубочки в сосуд со ртутью.