Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

В кристаллах льда, из которых состоит снег, тепловая энергия хранится в виде энергии движения (колебания) атомов, находящихся в строго фиксированных позициях в кристаллической решетке твердого льда. Таким образом, ответ на вопрос, до какого уровня может опуститься температура, достаточно прост: до точки, когда движение атомов прекращается полностью. Но даже в самом холодном месте на планете, где нет ни жизни, ни солнечного света, движение существует. Все плато состоит из колеблющихся атомов. Они обладают примерно половиной энергии движения, которую бы имели при температуре, близкой к температуре плавления льда (0 ℃). Если у атомов воды отобрать всю эту энергию, то температура льда равнялась бы максимально возможной отрицательной температуре. Такая температура называется абсолютным нулем и составляет –273,15 ℃. Она одинакова для любых атомов и любой ситуации и означает полное отсутствие тепловой энергии. В сравнении с абсолютным нулем даже Антарктика в зимний период, несмотря на то что это самое холодное место на планете, кажется довольно теплой. К счастью, замедлить движение атомов до полной остановки очень трудно. Нужна незаурядная изобретательность, чтобы гарантировать, что ничто поблизости не поделится частью своей энергии с образцом, который вы пытаетесь охладить до температуры абсолютного нуля, и не нарушит ваш эксперимент. Немало ученых посвятили жизнь изобретению самых хитроумных способов удаления тепловой энергии из материи. Речь идет о так называемой криогенной технике, позволяющей создавать устройства, которые приносят пользу даже в нашем прекрасном теплом мире, в частности усовершенствованные магниты и приборы для получения изображений внутренних органов в медицине. Однако большинству из нас противна сама мысль о переохлаждении. Вот почему нас так удивляет спокойствие уток, расхаживающих вразвалочку по льду «босиком».

Винчестер – небольшой прелестный городок на юге Англии. Главные его достопримечательности – старинный кафедральный собор и великое множество типично английских кафетериев, где на изящных тарелках подают внушительных размеров ячменные или пшеничные лепешки. Город особенно живописен летом, когда буквально утопает в разнообразных цветах, которые особенно эффектно смотрятся в солнечных лучах, льющихся с ярко-синего неба. Представшая перед вами картина кажется неправдоподобно красивой, как на почтовой открытке. Но однажды я оказалась в Винчестере зимой. В тот день шел снег и небо было хмурым, но город показался мне даже красивее, чем летом. Надев теплые пальто и укутавшись шарфами, мы прошлись из конца в конец по главной улице, пока не достигли небольшой речушки, берега которой были укрыты снегом. Вообще говоря, моя любимая вещь в Винчестере не имеет ничего общего со старинными каменными домами, изящными тарелками с ячменными лепешками или названием города, связанным с королем Артуром. Причина, по которой мы в холодный зимний день совершили неблизкую прогулку через весь город, была гораздо прозаичней: нам хотелось посмотреть на уток. Мы пошли вдоль берега и вскоре заметили их.

Как только мы приблизились, одна из уток, прохаживавшихся по берегу, взмыла в воздух и, перелетев через кромку прибрежного льда, плюхнулась в воду. А затем занялась тем же, чем и другие утки, плававшие в реке: окунула клюв в воду, выпрямила шею и энергично заработала лапами. Время от времени утка потряхивала крыльями, вздымая вокруг себя фонтанчики брызг. Переплывая с места на место, она пыталась найти какой-нибудь корм. Речушка в этом месте довольно мелкая, но быстрая. На ее дне растут водоросли, которыми питаются утки. И птицам не составляло бы большого труда их достать, если бы не быстрое течение. Чтобы оставаться на одном месте, уткам приходилось изо всех сил грести лапами. Речушка была для уток чем-то вроде «беговой дорожки». Наблюдать за утками, пытающимися преодолеть быстрое течение, я могу до бесконечности. Это доставляет мне неописуемое удовольствие. Все они энергично гребут лапами, а их туловища повернуты в одну сторону.

Стоявший рядом с нами маленький мальчик взглянул на свои заснеженные ботинки, затем указал на утку, стоявшую на льду у берега, и задал своей матери вполне логичный вопрос: «Почему у утки не мерзнут лапы?» Мама не ответила, поскольку в этот момент на реке начали разворачиваться весьма интересные события. Одна из уток, непрестанно работающих лапами, подобралась слишком близко к другой утке, что вызвало большой переполох: хлопанье крыльев, тучи брызг и громкое кряканье. Самым смешным было то, что, как только завязалась драка, обе утки прекратили грести и их сразу же начало относить течением. Пока течение делало свое дело, они громко крякали, выражая возмущение. Но внезапно осознав, как далеко оказались от прежнего места, они забыли друг о друге и начали изо всех сил грести лапами, пытаясь туда вернуться. Правда, для этого им потребовалось немало времени.

Вода в реке была очень холодной, но казалось, что утки не чувствуют холода. Дело в том, что у уток сформировался замечательный механизм предотвращения потери тепла через лапы. Здесь нам придется еще раз вспомнить о таком явлении, как теплопередача. Если что-то теплое поместить рядом с чем-то холодным, то более быстрые и энергичные молекулы теплого объекта будут ударяться о молекулы холодного объекта, передавая ему свою энергию. Именно поэтому поток тепла движется от теплых объектов к холодным: малоподвижные молекулы не могут отдавать энергию более быстрым; все должно происходить строго наоборот. Поток энергии от теплых объектов к холодным продолжается до тех пор, пока их температура не уравняется, то есть пока не будет достигнуто состояние равновесия. Реальную проблему для уток представляет кровоток в лапах. Он начинается от сердца, теплового центра утки, где температура крови составляет 40 ℃. Когда эта кровь поступает в конечности, находящиеся под водой, температура которой близка к точке замерзания, возникает большая разница температур. В результате кровь очень быстро отдает свое тепло воде. Затем, когда кровь возвращается в тело утки, теплая утка отдает свое тепло охладившейся крови, вследствие чего ее тело охлаждается. Утки могут несколько ограничивать поток крови к лапам, что препятствует переохлаждению их крови; впрочем, это не решает проблему полностью. Здесь используется гораздо более простой принцип, а именно: чем больше разность температур между двумя соприкасающимися объектами, тем быстрее происходит переток тепла от одного объекта к другому. Этот принцип можно сформулировать иначе: чем ближе между собой температуры двух объектов, тем медленнее происходит переток тепла от одного объекта к другому. Именно это помогает решить проблему переохлаждения уток.