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

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.

Изучение движения теплоты (сначала — в связи с вниманием по отношению к работе парового двигателя) в результате привело к созданию раздела физики, который называется «термодинамика» (от латинских слов, означающих «движение теплоты»). Конечно, при любом рассмотрении потока теплоты для начала нужно принять, что теплота не может обращаться в нуль или в ничто и не может проистекать из ничего. Приведенная фраза отражает закон сохранения энергии, и это обобщение настолько важно для термодинамики в целом, что его часто называют «первым законом термодинамики».

Однако первый закон термодинамики просто заявляет, что в закрытой системе содержание полной энергии есть величина постоянная, и не дает нам представления о том, как именно энергия в такой системе может передаваться от одной части системы к другой. Но даже небольшой опыт показывает, что такие энергетические изменения происходят по одному и тому же образцу.

Например, представим себе некоторую изолированную систему (то есть такую, в которой не происходит никакого обмена энергии с внешним миром: ни выделения энергии наружу, ни поглощения ее извне); она может, например, состоять из некоторого количества льда, помещенного в горячую воду. Мы можем быть совершенно уверены, что по мере того, как лед будет плавиться, вода охладится. Полная энергия не изменилась; однако часть ее перешла из горячей воды в лед, и весь опыт человечества говорит нам, что такое изменение существует. Точно так же раскаленный камень, оставленный на воздухе, постепенно охладится, в то время как воздух, находящийся в непосредственной близости от него, будет постепенно нагреваться.

Поток теплоты от горячего объекта к холодному объекту продолжается до тех пор, пока температура различных частей изолированной системы не сравняется, и это истинно независимо от того, как передается эта теплота: конвекцией, кондукцией или радиацией.

На раннем этапе развития термодинамики исследователи, столкнувшиеся с этим явлением, характеризующим поток теплоты, выбрали наиболее легко визуализируемое понятие: они думали о теплоте как о своего рода жидкости, и эта жидкость даже получила имя — «каллорик» — от латинского слова, означающего «теплота».

Мы можем использовать понятие жидкости как аналогию, для того чтобы изобразить поток теплоты. Представьте себе два сосуда, связанные между собой трубкой с вентилем, в левом сосуде — более высокий уровень жидкости, а в правом — более низкий. Естественно, давление воды слева будет выше, чем справа, так что у нас имеется суммарное давление слева направо. Если трубка с вентилем будет открыта, вода потечет слева направо и будет продолжать течь до тех пор, пока уровни с обеих сторон не сравняются. Более высокий уровень воды будет падать; низкий уровень повысится, а окончательный уровень с обеих сторон будет иметь некое промежуточное значение по высоте. И хотя полный объем воды в системе не изменился, произошло изменение в распределении воды в пределах системы, которое привело к уравниванию давлений в системе.

Изменив некоторые ключевые слова, мы получим высказывание, имевшее место ранее: «Хотя полная теплота системы не изменилась, произошло изменение в распределении теплоты в пределах системы, которое привело к уравниванию температуры». (Мы проводим аналогию между объемом/давлением и теплотой/температурой.)

Если мы подумаем о температуре как о своего рода движущей силе, направляющей поток теплоты аналогично тому, как давление жидкости направляет поток воды, то нам покажется очень естественным, даже очевидным, что эта теплота должна течь из области высокой температуры к области низкой температуры независимо от общего содержания теплоты в каждой области.

Давайте рассмотрим, например, грамм кипящей воды и сравним его с килограммом ледяной воды. Чтобы заморозить килограмм ледяной воды, от него требуется отобрать приблизительно 80 000 калорий теплоты. Чтобы опустить температуру грамма кипящей воды до точки замерзания, а затем заморозить, потребуется отобрать 100 плюс 80 калорий, или всего лишь 180 калорий. Любое дальнейшее охлаждение килограмма льда, полученного в первом случае, по сравнению с граммом льда, полученного в втором, потребует отбора в тысячу раз большего количества теплоты, чем от второго, на каждый градус Цельсия. Это происходит потому, что, несмотря на разницу в температурах, полная теплота, которая содержится в килограмме ледяной воды, будет намного выше, чем полная теплота, которая содержится в грамме кипящей воды.