Александр Харс - Я познаю мир. Естествознание

Запасы угля, нефти и газа подходят к концу, поэтому люди пытаются найти другие источники энергии – прямо использовать солнечные лучи. Существует мнение, что прямое использование солнечных лучей может стать даже более выгодным, чем использование атомной энергии.

Долгие годы считалось, что тепло – это вещество «теплород». Может быть, нагревание или охлаждение – это передача энергии? Хорошо бы узнать, что такое температура и как ее измеряют, и что происходит с телом, когда оно охлаждается или нагревается. Ученые прошлого считали, что тепло – это особая жидкость, которая может перетекать от одного тела к другому: при нагревании теплород проникает в тело, а при охлаждении покидает его.

Известно, что большинство тел при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается. Кажется, что это доказывает существование теплорода, который при нагревании как бы занимает место и заставляет тела расширяться, а при охлаждении покидает его.

Но есть вещества, которые при нагревании сжимаются, а при охлаждении расширяются. Если бы в тело проникало какое–то загадочное вещество, а потом покидало его, масса этого предмета должна была бы измениться, но этого не происходит.

Может быть, тепло – это энергия? Американский инженер Томсон наблюдал за тем, как сверлили металл, и заметил, что чем более тупыми были сверла, тем сильнее они нагревались. Что же вызывает разогрев? Видимо, само сверление, то есть тепло – это энергия.

К таким же выводам можно прийти, если тереть на морозе два куска льда. Несмотря на то, что лед холодный и воздух вокруг тоже, лед начнет плавиться. Единственным источником появления тепла на таком холоде может быть только само трение. Можно для тех же целей взять монетку и начать тереть ее о дерево или грубую ткань. Через несколько секунд монета разогреется так, что ее будет трудно удержать в руках.

Чем выше становится температура, тем активнее двигаются молекулы вещества (чем бы оно ни являлось – газом, жидкостью или твердым телом). Все молекулы находятся в постоянном движении, если только температура не опускается до минус 273°С. Эта температура, которая называется абсолютным нулем, достигается, когда всякое движение молекул полностью прекращается.

Если зимним вечером в трескучий мороз вынести на улицу чашку с кипящей водой, чашку с раскаленным до такой же температуры песком и большую бочку с теплой водой, через некоторое можно будет увидеть, что первым до 0°С остынет песок, потом замерзнет вода в чашке, а на бочке лед появится в последнюю очередь. На скорость остывания, кроме температуры, влияет и размер предмета.

Если нагревать емкость со льдом, температура не будет подниматься выше нуля, пока весь лед не растает. Лед тает при температуре 0°С, при этой же температуре вода начинает замерзать.

Иногда, выйдя из дому, думаешь, что на улице тепло, но, пройдя некоторое время, понимаешь, что на самом деле довольно холодно. Если жарким летним днем спуститься в подвал, то покажется, что там очень холодно, хотя температура там плюс 2СГС. Человеческие ощущения не самый лучший метод для измерения температуры.

Возьмем на кухне три кружки и нальем в одну горячую, но не обжигающую воду, в другую – теплую, а в третью – холодную. Теперь палец левой руки опустим в горячую воду, а правой – в холодную. Стоит подождать, пока пальцы привыкнут к температуре воды, в которую они опущены. Теперь одновременно вынем пальцы из чашек и засунем их в чашку с теплой водой. Оказывается пальцу, который был в горячей воде, стало холодно, а палец из холодной воды, наоборот, в теплой воде согрелся.

Температура теплой воды может быть точно измерена при помощи термометра, а наши ощущения сильно зависят от условий, в которых мы находились до опыта.

Большая часть термометров работают на основе простого свойства вещества расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. В самом первом термометре в качестве расширяющегося и сжимающегося вещества был взят обычный воздух. Изобрел этот термометр Галилей. Этот прибор представлял собой перевернутую колбу с воздухом, опущенную горлышком в сосуд с водой. Прибор был не точен, так как показания термометра зависели от изменчивой погоды, а именно, атмосферного давления. Но и это был важный шаг вперед. Термометр Галилея позволил измерить температуру у больного лихорадкой. Так, впервые, был «поставлен градусник».

Опыт с водой разной температуры

В следующих моделях термометров вместо воздуха стали использовать подкрашенную жидкость. Но и эти приборы работали плохо, потому что жидкость испарялась. По настоящему термометры вошли в жизнь человека, когда кто–то из учеников Галилея догадался запаять трубку с жидкостью.

Термометр Галилея. Рисунок из рукописи

Существуют разные термометры для разных целей. Большая часть термометров, которые можно встретить в доме человека, содержат спирт или ртуть. Спирт замерзает при минус 112°С, а кипит – при плюс 72°С. Это делает спирт удобным для уличных термометров. Ртуть замерзает при минус 39°С, поэтому ртутные термометры нельзя использовать в районах с очень низкими температурами, но зато кипит при 357°, поэтому очень удобна для измерения высоких температур. Так устроены химические и технические термометры для измерения высоких температур.

В медицинских термометрах тоже используется ртуть, что делает их более точными. Для того чтобы ртуть в термометре не опускалась, пока врач подносит термометр к глазам, отверстие в нижней части термометра, около шарика, очень маленькое. Поэтому, чтобы заставить ртуть пройти сквозь него перед тем, как мерить температуру тела, нужно термометр встряхнуть.

Одни из самых точных термометров – газовые. Они позволяют измерять температуру от абсолютного нуля до полутора тысяч градусов.

Если вещество нагреть, то оно расширяется, то есть увеличивается в объеме. Для некоторых сторон нашей жизни это довольно важное свойство, которое нужно учитывать при прокладке железных дорог, ведь в жаркий день горячий металл расширяется, а на морозе сжимается. Поэтому зимой расстояние между рельсами увеличивается, и сильнее стук колес.

Вода тоже расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, но с водой не все просто. При охлаждении вода продолжает сжиматься до температуры 4°С, а при дальнейшем охлаждении начинает расширяться. Когда замерзает пруд, вода в нем сжимается до тех пор, пока не достигнет 4°С. После этого те слои, которые продолжают охлаждаться, снова поднимаются вверх, потому что обладают меньшей плотностью, чем 4–градусная, самая плотная вода. Если по–прежнему холодно, верхние слои воды замерзают и расширяются еще сильнее. Поэтому лед плавает на поверхности, а не опускается на дно. В крупных водоемах вода никогда не промерзает до дна, потому что самые плотные слои воды опускаются на дно и всю зиму сохраняют температуру 4°С. Если бы этого не происходило, озера промерзали бы до дна, а за лето не успевали бы оттаивать, и жизнь в воде не смогла бы существовать.