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

Первооткрывателем того факта, что теплота плавит лед без поднятия его температуры, был Джозеф Блэк — тот самый, кто первым рассчитал значение удельной теплоемкости. Он назвал теплоту, использованную в процессе плавления льда, «латентной, или скрытой, теплотой». Слово «латентная» означает нечто, что присутствует в веществе, но не явным образом. Это примерно то же самое, что и «потенциальная энергия». Таким образом, ясно просматривается связь между «латентной теплотой» и «потенциальной энергией».

Итак, тепло, которое требуется для того, чтобы расплавить грамм льда, называется его «скрытой теплотой плавления» (слово «плавление» в случае льда является синонимом слова «таяние»). Необходимым уточнением является слово «плавление», так как существует и другой тип латентной теплоты, который возникает в процессе кипения или парообразования. При преобразовании одного грамма жидкой воды, находящейся при температуре, равной 100 °С, в один грамм пара с температурой 100 °С происходит полная нейтрализация всех межмолекулярных связей, которые еще остались после преобразования твердого вещества в жидкость. Только после этого молекулы начинают демонстрировать свойства, типичные для молекул газов, то есть свое практически независимое движение. При имевшем место ранее процессе таяния была нейтрализована только незначительная часть межмолекулярных сил притяжения, а основная часть их продолжает действовать. По этой причине «латентная, или скрытая, теплота парообразования» данного вещества в общем случае значительно выше, чем латентная теплота плавления того же самого вещества. Например, латентная теплота парообразования воды, а именно: количество теплоты, которое требуется для того, чтобы преобразовать 1 грамм воды с при температурой 100 °С в 1 грамм пара с той же температурой 100 °С, равно 539 калориям. То есть для воды латентная теплота парообразования почти в семь раз больше, чем латентная теплота плавления.

Таким образом, энергосодержание пара на удивление высоко. Сотня граммов воды, находящихся при температуре, равной 100 °С, в процессе охлаждения от этой температуры до точки замерзания отдает около 10 000 калорий. Сотня же граммов пара, находящихся при температуре, равной 100 °C, однако, отдает около 53 900 калорий, просто преобразовываясь в воду. Получившаяся вода тогда отдает еще и 10 000 калорий, по мере охлаждения до точки замерзания. По этой причине паровые двигатели обладают таким высоким коэффициентом полезного действия, который никогда бы не был доступен «двигателям на горячей воде». (Не вызывает удивления тот факт, что Джеймс Ватт, изобретатель парового двигателя, был студентом у Джозефа Блэка.)

Существует способ использования латентной теплоты парообразования. Предположим, что газ типа аммиака помещен под давлением в закрытый сосуд. Если увеличивать давление, то это заставит газ сжижаться. Поскольку аммиак сжижается, он отдает некоторое количество теплоты окружающей среде. Эта теплота может поднять температуру как непосредственно окружающей среды, так и самого аммиака. Однако если сосуд с аммиаком погрузить в проточную воду, то выделенная теплота будет уноситься этой водой, а жидкий аммиак будет оставаться при температуре, которая была у него в газообразном состоянии.

Если теперь сосуд с аммиаком вынуть из воды и снизить давление так, чтобы жидкий аммиак снова закипел и стал газом, он должен поглотить количество теплоты, эквивалентное тому, которое он отдал до того. Он и поглощает эту теплоту из самых близких источников — из себя и из своего непосредственного окружения. Часть кинетической энергии его собственных молекул преобразуется в потенциальную энергию газообразного состояния, и температура аммиака резко падает вниз.

Если мы возьмем газ, подобный аммиаку, и сделаем его частью механического устройства, которое поочередно то сжимает его, то позволяет ему испаряться, в результате мы получим тепловой насос, который потребляет теплоту из аммиака и непосредственно из близлежащей окружающей среды. Далее, поместив такой насос в некую изолированную коробку, мы получим рефрижератор, то есть холодильник.

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].

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»).