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

Когда вы зажигаете фитилек свечи, тепло, исходящее от спички, плавит воск как в фитиле, так и вблизи него, в результате чего происходит первая трансформация в жидкость. Твердые парафины – это углеводороды, молекулы, представляющие собой длинные цепочки с углеродным «позвоночником», состоящим из большого числа атомов (от двадцати до тридцати). Нагрев не только придает им энергию для того, чтобы наползать друг на друга, образовывая нечто, похожее на клубок змей (а именно так выглядел бы жидкий парафин, если бы вы могли видеть его молекулы), но и некоторые из молекул приобретают энергию, позволяющую полностью оторваться от фитиля. Формируется столб раскаленного газообразного горючего такой высокой температуры, что он выталкивается в окружающий воздух, занимая огромное пространство по сравнению с относительно небольшим числом находящихся в нем молекул. Количество молекул остается неизменным, следовательно, результирующая сила гравитации, воздействующая на них, также не меняется. Но теперь эти молекулы занимают гораздо больше места, поэтому сила гравитации, воздействующая на каждый кубический сантиметр, снижается.

Подобно скользкой, покрытой пузырьками улитке в океане, этот раскаленный газ должен подниматься, поскольку находится в окружении холодного плотного воздуха, пытающегося проскользнуть под ним. Горячий воздух вздымается невидимым столбом, смешиваясь по пути с кислородом. Еще до того, как вы уберете горящую спичку от свечи, это топливо начинает распадаться и сгорать в кислороде, еще больше повышая температуру газа. Это те самые синие языки пламени, температура в которых достигает ошеломляющих 1400 ℃. Фонтан зажженного вами огня усиливается по мере того, как раскаленный воздух еще быстрее выталкивается вверх. Пламя свечи подпитывается снизу, потому что фитиль – это просто длинная тонкая губка, вбирающая другие молекулы воска, расплавленного горящим фитилем.

Но топливо не сгорает идеально. В противном случае пламя оставалось бы синим и свечи были бы бесполезны в качестве источников света. Когда молекулы в виде длинных цепочек захватываются и «перемалываются» в процессе горения, часть их «обломков» не сгорает из-за нехватки кислорода в окружающей газообразной смеси. Крошечные частицы углерода (которые можно было бы назвать миниатюрными угольками) поднимаются и нагреваются, воспроизводя успокаивающее желтое свечение, когда их температура достигает 1000 ℃. Свечение свечи – лишь побочный продукт столь сильного нагрева, результат нагрева миниатюрных угольков в огне. Эти крошечные частицы углерода нагреваются так сильно, что испускают в окружающую среду избыточную энергию в виде свечения. Выявлено, что процессы, происходящие в горящей свече, приводят к образованию не только нагара в форме графита (материала, который мы представляем себе как черный углерод), а и крошечных количеств более экзотических структур, которые могут возникать в результате объединения атомов углерода: бакибола (или фуллерена), углеродных нанотрубок и алмазных микрочастиц. Подсчитано, что в среднем пламя свечи порождает каждую секунду 1,5 миллиона наноалмазов.

Свеча – идеальный пример того, что происходит, когда текучей среде необходимо перестроиться, чтобы сбалансировать силу притяжения. Раскаленное сгорающее топливо поднимается очень быстро, когда холодный воздух подбирается снизу, в результате чего образуется непрерывный конвекционный поток. Если задуть свечу, столб раскаленного газообразного горючего еще в течение двух-трех секунд будет продолжать подниматься над свечой, а если вы поднесете сверху к фитилю вниз горящую спичку, то увидите, что пламя перекинется на фитиль, когда столб этих раскаленных газов зажжется вновь[19].

Конвекционные токи наподобие описанного выше способствуют переносу энергии и ее более равномерному распределению в случаях, когда та или иная текучая среда подогревается снизу. Именно наличием конвекционных токов объясняется столь высокая эффективность нагревателей для садков с рыбой, систем обогрева полов и кастрюль на кухонной плите. Без гравитации эти и подобные им устройства были бы совершенно бесполезны. Когда мы говорим, что «тепло поднимается», это не совсем так. Правильнее было бы сказать, что «более холодная текучая среда, выигрывая гравитационное сражение, опускается». Но вряд ли вы дождетесь слов благодарности за такое уточнение.

Плавучесть важна не только для воздушных шаров, улиток и романтических ужинов со свечами. Океаны – огромные двигатели нашей планеты – приводятся в действие гравитацией, как и все остальное на Земле. Океанские глубины не пребывают в неподвижности. Воды, которые не видели солнечного света много веков, обтекают нашу планету на своем долгом и медленном пути обратно к нему вдоль и поперек. Но прежде чем заглядывать в глубь океана, взглянем вверх. Когда в следующий раз увидите в ясный день высоко в небе крошечный движущийся объект – пассажирский самолет, летящий на крейсерской скорости, – попытайтесь прикинуть высоту, на которой он летит: примерно 10 километров. Затем представьте, что стоите на дне Марианского желоба – самой глубокой морской впадины. Расстояние от вас до поверхности океана будет примерно таким же, как от океанской поверхности до самолета[20]. Даже средняя глубина океанов составляет 4 километра, то есть чуть меньше половины расстояния от их поверхности до самолета. Океан покрывает 70 % поверхности Земли. Так что воды на нашей планете более чем достаточно.

На этих огромных глубинах скрывается хорошо знакомая нам картина. Тот же механизм, который заставляет изюминки «танцевать» в бутылке с лимонадом, приводит в действие безбрежные океаны на Земле, обеспечивая неспешное перемещение вод по планете. Несмотря на разницу в масштабах и практических последствиях этих двух явлений, их базовый физический принцип точь-в-точь один и тот же. Землю нередко называют «голубой планетой», и эта «голубизна» пребывает в непрерывном движении.

Но чем обусловлено это движение? У океанов были миллионы лет, чтобы прийти в состояние равновесия и покоя. Что же мешает им застыть в неподвижности? Две вещи – нагрев и соленость воды. То и другое влияет на плотность морской воды, а любая текучая среда, имеющая области с разной плотностью, приходит в движение, когда разворачивается битва гравитации. Хотя общеизвестно, что морская вода соленая, я всякий раз не перестаю удивляться, думая о том, какое огромное количество соли в ней растворено. Чтобы сделать воду в обычной ванне, установленной в наших квартирах, такой же соленой, как морская вода, в ней нужно растворить до 10 килограммов соли, то есть небольшое ведро. Ведро соли на одну ванну! Концентрация соли в морской воде неодинакова во всех частях Мирового океана и колеблется приблизительно от 3,1 до 3,8 %. Хотя эта разница кажется не такой уж существенной, она играет немаловажную роль. Подобно тому как добавление сахара в газированный напиток делает его плотнее, колоссальное количество соли в морской воде делает ее более плотной, чем пресная вода. У холодной воды большая плотность, чем у теплой. Между тем температура морской воды колеблется примерно от 0 ℃ вблизи полюсов до 30 ℃ вблизи экватора. Таким образом, холодная насыщенная солью вода опускается на дно, а более теплая и менее насыщенная солью устремляется вверх. Этот простой механизм движения морской воды обусловливает ее непрерывное перемещение в масштабах планеты. Возможно, проходит не одна тысяча лет, пока какая-то определенная капля воды не вернется в ту же точку Мирового океана, в которой когда-то уже успела побывать.