Яков Перельман - Физика на каждом шагу

Поперек бруска перекиньте петлю из тонкой стальной проволоки сантиметров в 80 длины, толщиной в полмиллиметра. К концу проволоки привесьте пару утюгов или какую-нибудь другую тяжелую вещь, весом килограммов 5—10. Под давлением груза проволока врежется в лед, медленно пройдет через весь брусок, но… брусок не распадется. Берите его смело в руки: он совершенно цел и крепок, словно его и не разрезали.

Рис. 84. Лед под сильным давлением тает даже на морозе

После сказанного раньше о смерзании льда вы поймете, в чем разгадка этого странного явления. Под давлением проволоки лед таял, но вода, перейдя поверх проволоки и освободившись там от давления, тотчас замерзала. Короче сказать, пока проволока резала нижние слои, верхние снова смерзались.

Лед – единственное вещество в природе, с которым можно сделать подобный опыт. Оттого-то по льду можно ездить на санях и кататься на коньках. Когда конькобежец опирается весом своего тела на коньки, лед под этим давлением тает (если мороз не слишком силен), и конек скользит; но, переходя на другое место, конек и здесь вызывает таяние. Куда ни ступит нога конькобежца, всюду она превращает тонкий слой льда под сталью конька в воду, которая, освободившись от давления, вновь замерзает. Поэтому, хотя лед в мороз и сух, но под коньками он всегда смазан водой. В этом и причина его скользкости.

Отчего происходит певучий звук, который издает самовар, перед тем как вода в нем закипит?

Вода, непосредственно прилегающая к трубе самовара, превращается в пар, который образует в воде небольшие пузырьки. Как более легкие, пузырьки эти вытесняются окружающей водой вверх. Здесь они попадают в воду, температура которой ниже 100°. Пар в пузырьках охлаждается, сжимается, и стенки пузырьков под давлением окружающей воды смыкаются. Итак, перед началом кипения пузырьки, все более и более многочисленные, поднимаются вверх, но ее доходят до уровня воды, а с легким треском смыкаются по пути.

От этих-то многочисленных потрескиваний и происходит шум, который мы слышим перед закипанием. Английский физик У. Браг сравнивает щелканье смыкающихся стенок пузырька с ударом двух кусков стали, «а потому, – пишет он, – в чайнике (самоваров в Англии нет) поднимается шум, похожий на непрерывно следующие друг за другом удары крошечного молота: ведь эти удары передаются водой металлическим стенкам, да и у самих стенок происходят такие же удары».

Когда же вся вода в самоваре или в чайнике нагреется до температуры кипения, пузырьки перестают смыкаться, проходя через толщу воды, и «пение» прекращается. Едва однако самовар начнет остывать, условия для возникновения звуков появляются опять, и пение возобновляется.

Вот почему самовары и чайники поют только перед закипанием и при остывании; кипящий же самовар никогда не издает этого певучего звука.

Вы уверены, конечно, что видели водяной пар уже много раз, видите его ежедневно. Между тем, видеть водяной пар совершенно невозможно, как нельзя видеть воздух. Дело в том, что пар, настоящий пар, прозрачен и невидим. Тот белый дымок, который вырывается из носика чайника, или те белые клубы, которые выпускает паровоз, – вовсе не пар в строгом смысле слова, хотя его так называют в обиходе. Это туман, а не пар. Чем отличается туман от пара? Пар – газ прозрачный и невидимый; туман же – газ, сгустившийся в мельчайшие водяные капельки, которые, как пылинки, парят в воздухе и, как пыль же, делают его непрозрачным. Туман белого цвета по той же причине, по какой бел снег: всякое мелкое, раздробленное прозрачное вещество (в снеге – лед, в тумане – вода) имеет белый цвет.

Итак, тот пар, которым мы пользуемся в технике как источником энергии, совершенно невидим, – все равно, будет ли это пар «насыщенный» (т. е. не могущий уже при своей температуре заключать больше влаги в отведенном ему пространстве) или «перегретый». Если вы желаете в этом убедиться, взгляните в кочегарке на водомерное стекло – трубку, показывающую уровень воды в паровом котле. Вы увидите в трубке воду, но над водой не заметите ничего. А между тем всю верхнюю часть трубки над уровнем воды занимает пар – тот самый пар, горячий и сжатый, который образуется в котле и работает в паровом цилиндре. Если бы вы могли проникнуть взглядом в паровой цилиндр, то увидели бы странную, неожиданную картину: поршень быстро снует вперед и назад, а того пара, который его толкает и является источником работы всей машины, совершенно не видно.

Невидимый пар скрывает в себе огромные запасы энергии. И не только тот пар, который добывается под усиленным давлением в паровом котле, но даже и обыкновенный пар, образующийся при кипении чайника. Откуда эта энергия берется? Мы сами заряжаем пар энергией, когда кипятим воду на огне: переводим энергию огня в воду, а затем и в пар. Займемся арифметикой нагревания и кипячения воды; мы лучше поймем тогда, что здесь происходит.

Нагревая килограмм воды на один градус (стоградусного термометра), мы затрачиваем порцию тепла, которая называется «калорией». Когда же эта порция теплоты, калория, превращается полностью в механическую работу, получается запас энергии, достаточный для подъема килограммовой гири на высоту 427 м.

Зная это, вы можете точнее оценить, сколько энергии сообщили одному стакану воды, нагрев его до кипения. Если первоначальная температура воды была, скажем, 10°, а теперь 100°, то нагревать пришлось на 90°, весит же стакан воды 1/ 4кг. Значит, на нагревание пошло 90 раз по четверти калории, т. е. 22 1/ 2 калории. Превращенное в механическую работу, это количество тепла достаточно для поднятия груза в 22 1/ 2кг на высоту 427 м, или – что то же самое – полутонны на крышу пятиэтажного дома. Вот сколько энергии кроется в одном стакане горячего чая!

Но запас этот еще очень скромен по сравнению с энергией пара. Дело в том, что для превращения воды в пар недостаточно нагреть ее до 100°. Если бы было так, если бы вода, доведенная до 100°, сразу превращалась в пар, никогда не пришлось бы нам пить горячего чая: вся вода в самоваре, нагретая до 100°, мгновенно превращалась бы в пар; самовар разрывался бы, как бомба. Ничего подобного, к счастью, не наблюдается: вода при 100° превращается в пар постепенно и только до тех пор, пока продолжается приток тепла. Эта дополнительная теплота, которую надо подводить к воде, уже нагретой до 100°, чтобы превратить ее в пар (тоже 100-градусный), называется «скрытой теплотой кипения». Она целиком расходуется на внутреннюю работу превращения жидкой воды в пар той же температуры. Скрытой теплоты требуется очень много: для полного превращения 1 кг воды при 100° в пар тоже 100° надо сообщить воде 536 калорий – вшестеро больше, чем нужно «явной» теплоты для нагревания того же килограмма воды от 10 до 100°. Вот почему пар заключает в себе гораздо больший запас энергии, чем вода при той же температуре (100°).