Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Понижение температуры по мере испарения используется и нашими собственными телами. Благодаря действию потовых желез мы покрыты тонкой влажной пленкой, которая по мере испарения забирает теплоту от нашего тела и дает нам прохладу. Вода имеет самую высокую латентную теплоту парообразования среди обычных веществ, а так как наш пот является почти чистой водой, это означает, что мы все немного испаряемся, хотя обычно так мало, что совсем и не замечаем этого. В жаркую погоду процесс ускоряется, и если внешние условия изменяются, то мы хорошо можем видеть результат этого парообразования — конденсация (пот) накапливается в больших количествах. Все мы прекрасно знаем это чувство дискомфорта — результат частичного пробоя нашей личной системы охлаждения — как говорится: «в пот бросило».

В предыдущей главе я говорил относительно смешивания горячей и холодной воды и, в частности, сказал, что в процессе была достигнута промежуточная температура. Легко видеть, что это было достигнуто простым физическим смешиванием молекул горячей воды (которые обладают высокой средней кинетической энергией) с молекулами холодной воды (которые обладают низкой средней кинетической энергией). Молекулы же окончательной смеси обладают средней кинетической энергией некоего промежуточного значения между этими двумя.

Газы так же и таким же образом способны к сглаживанию экстремальных температур. Теплые воздушные массы смешаются с холодными (и такое смешение воздушных масс — источник происхождения погоды), и, как результат, температура земной поверхности сохраняется в некотором промежуточном значении. Может показаться, что смесь теплого и холодного воздуха не так уж эффективно воздействует на Землю, если сравнить это воздействие с таковым от плавучих льдин полярных областей или насыщенных паром тропических джунглей. Однако могло быть и хуже. Наша Луна находится на том же среднем расстоянии от Солнца, как и Земля, но в отличие от Земли она испытывает недостаток атмосферы. В результате части ее освещенной солнцем стороны становятся даже более горячими, чем тропические области Земли. А части поверхности на ее затемненной стороне становятся намного более холодными, чем области вечной антарктической зимы на Земле.

Перенос и передача теплоты потоками газа или жидкости называется «конвекцией» (от латинских слов, означающих «нести вместе») [71] В нашей физической литературе «конвекцией» называется не перенос теплоты, а перемещение потоков газа или жидкости под воздействием внешних сил, разности температур и/или давлений. (Примеч. пер.) .

Однако для передачи теплоты такое фактическое движение материи не является необходимым. Если нагреть один конец длинного металлического прута, то теплота в конечном счете распространится и на другой его конец. Естественно предположить, что в пределах твердого металлического прута нет никаких потоков перемещающейся материи. На самом деле получается примерно вот что: поскольку один конец прута становится горячим, атомы металла на этой части прута увеличивают свою кинетическую энергию. Поскольку прут остается твердым, среднее расположение каждого атома остается фиксированным, но каждый из атомов может вибрировать относительно этого положения. По мере того как энергия атомов нарастает, колебания становятся все более быстрыми, а движения распространяются все дальше от среднего равновесного положения. Атомы, находящиеся в самой горячей части прута, вибрируют наиболее энергично, они толкают соседние атомы, и эти атомы в результате непосредственных соударений тоже начинают более энергично вибрировать. Таким образом, кинетическая энергия как бы «проталкивает» себя от атома к атому и постепенно от одного конца прута к другому. Это перемещение теплоты в толщу твердого тела называется «теплопроводностью» («кондукцией» — от латинских слов, означающих «вести вместе»).

Тот факт, что атомы и молекулы твердых тел по мере повышения температуры вибрируют со все большей амплитудой, означает, что каждый атом или молекула начинают занимать больше места. Тогда становится понятным, почему объем твердого тела или жидкости увеличивается с повышением температуры и уменьшается с ее понижением, даже несмотря на то, что молекулы остаются в фиксированном положении и твердо связаны между собой, вплоть до точки кипения.

(Однако это — не единственный фактор, вовлеченный в объемное расширение, которому твердые тела и жидкости подвергаются по мере изменения температуры. Немаловажную роль играет и вопрос взаимного расположения молекул, молекулярной структуры. Молекулярная структура в твердых телах обычно более компактна, чем в жидких, поэтому при замерзании последних проявляется внезапное изменение объема и соответствующее увеличение плотности. В этом отношении вода проявляет исключительные свойства. Ее молекулярная структура менее компактна в твердом состоянии, чем в жидком. Как результат, лед является менее плотным, чем жидкая вода и будет плавать в ней, а не тонуть.)

Оба понятия — и конвекцию и теплопроводность — можно объяснить в терминах механики. В обоих случаях имеется фактическое воздействие более энергичных атомов или молекул на менее энергичные атомы или молекулы, и поэтому энергия передается прямым контактом. Однако теплота может быть передана и вообще без какого-либо контакта. Если заключить в вакуум некий горячий объект, то он будет передавать свою теплоту через него, несмотря на то что вокруг него нет ничего, что могло бы эту теплоту перенести посредством конвекции или теплопроводности. Солнце отделено от нас почти на 93 000 000 миль вакуума, гораздо более качественного, чем любой, который мы можем получить в лабораторных условиях, и все же его теплота достигает нас — это очевидно. Такая теплота кажется проистекающей из горячего объекта во всех направлениях, подобно обычным лучам, которые любят рисовать исходящими из солнца многие мультипликаторы. По-латински слово «луч» звучит как «радиус», и поэтому явление переноса теплоты через вакуум было названо «радиацией». Детальное рассмотрение явления радиации будет нами сделано во втором томе этой книги.

Интерес к любым законам, управляющим движением теплоты различными методами, наиболее остро поднялся в первой части XIX столетия из-за все возрастающей важности парового двигателя, изобретенного Джеймсом Ваттом, работа которого зависела от величины теплового потока. В паровом двигателе теплота передается от сжигаемого топлива к воде, преобразуя последнюю в пар. Теплота, содержащаяся в паре, затем переходит в холодную воду, охлаждающую конденсор, и пар, теперь охлаждаясь, отдает теплоту, превращаясь опять в воду. Этот тепловой поток, который обращает воду в пар и обратно, каким-то образом выделяет достаточное количество энергии, которая может быть конвертирована в кинетическую энергию поршня, а последний, в свою очередь, может выполнять полезную работу.