Теплота — основа жизни

Жизнь на Земле существует благодаря лучистой энергии Солнца и атмосфере. На Земле живут самые разнообразные животные и растения. И приспособились они к самым различным температурам в пределах от 50–58 градусов тепла до 60–70 градусов мороза. А в некоторых районах мороз доходит даже до еще более низких температур.

О том, как живые существа приспосабливаются к сильному холоду, может послужить пример с пингвинами. В Антарктиде при очень низкой температуре пингвины даже выводят птенцов.

Но ни одно живое существо не выдержало бы холода в космическом пространстве, так же как не выдержало бы температуры на поверхности Венеры, где она доходит до сотен градусов тепла.

И когда космонавты отправляются в космическую пустыню— где нет среды, которая могла бы нагреться Солнцем, нет ничего, что могло бы задержать и отразить солнечные лучи, а поэтому возможен самый лютый холод, — принимаются все меры к тому, чтобы внутри корабля было достаточно тепло.

Воздух в кабине космического корабля или орбитальной станции поддерживается такого же давления и такого же состава, как и на Земле. А температура — такой, к какой люди привыкли. Все это обеспечивают приборы, которые автоматически регулируют и состав, и влажность, и температуру, и давление маленькой атмосферы корабля или станции.

Только состояние невесомости дает почувствовать космонавтам, что они не на Земле, а на крошечной искусственной планете, созданной человеческим разумом, которая мчится с огромной скоростью в пустом, мертвом космическом пространстве…

 

Горячие лучи сквозь космическую пустоту

Итак, все живое на Земле обязано своим существованием Солнцу. Что же из себя представляет этот могучий источник жизни?

Солнце — это раскаленный газовый шар. Предполагается, что в его недрах при огромных температурах и давлениях непрерывно происходит термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Эта бурная реакция сопровождается выделением колоссального количества тепловой энергии. Тепловая энергия Солнца излучается во все стороны в виде лучистой энергии. Земле достается ее крошечная частица.

Но и этой частицы оказалось достаточно, чтобы на Земле возникла жизнь: выросли могучие леса, появились живые существа.

И почти все виды энергии на Земле обязаны своим происхождением Солнцу. Сейчас стали использовать Солнце и как непосредственный источник энергии. На Земле строят установки, которые улавливают солнечные лучи и заставляют их нагревать воду либо прямо превращаться в электрическую энергию. Вы знаете, что на искусственных спутниках Земли и на космических кораблях, орбитальных станциях, автоматах, путешествующих по Луне или направленных к планетам, куда они посланы для исследований, основным источником энергии является Солнце. Солнечная энергия для космических аппаратов улавливается с помощью солнечных батарей и превращается в электрический ток.

Энергия Солнца приходит к нам на Землю в виде тепловых лучей, преодолевая миллионы километров безвоздушного пространства. Такой способ передачи теплоты, когда она передается без нагревания промежуточной среды, называется лучеиспусканием.

Проделайте такой опыт. Обхватите пальцами баллончик невключенной электрической лампочки. Вы почувствуете холод стекла. Включите на 2–3 секунды лампочку. Пока она горела, вы ощущали в ладони и пальцах, в которых зажата лампочка, тепло. Но как только лампочка погасла, вы по-прежнему чувствуете холод стекла.

Ни стекло, ни газ, которым теперь заполняют лампочки на смену выкачанному из них воздуху, не успели нагреться. Руку грели тепловые лучи, исходившие из раскаленной нити.

Раньше лампочки делали пустыми внутри — из них выкачивали воздух. Такие лампочки представляли маленькую модель распространения солнечного тепла ко всем планетам через безвоздушные просторы Вселенной.

Но и на газонаполненной лампочке вы можете убедиться, что согревают руки лучи, а не стекло, которое еще не успело нагреться.

 

От горячего к холодному

Вы сейчас познакомились с лучеиспусканием, способом передачи теплоты в виде лучистой энергии без нагревания промежуточной среды. Но существуют и другие способы распространения теплоты. Один из них называется теплопроводностью.

Вам приходилось брать за ручку кастрюльку, в которой только что закипела вода. Ручка, если она металлическая, очень горячая. Конечно, специально никто ее не грел, грели кастрюльку, но теплота от горячей кастрюльки перешла в ручку, и она нагрелась.

Тепло переходило по металлу постепенно. Раньше такое передвижение теплоты сравнивали даже с движением текущей воды.

Разные твердые вещества по-разному проводят тепло. Лучше всего это делают металлы. Но и среди металлов есть чемпионы по теплопроводности. К ним относятся так называемые «благородные металлы» — платина, золото, серебро. Их широко применяют в ответственных электрических схемах, приборах, аппаратах.

Чтобы посмотреть, как по-разному металлы проводят тепло, проделайте следующий опыт.

Возьмите две чайные ложки: одну серебряную, другую из никелевого сплава. Прикрепите к ним каплями стеарина скрепки для бумаг. Вложите ложки в стакан, чтобы ручки со скрепками торчали из него в разные стороны.

Налейте в стакан кипяток. Ложки нагреются. У серебряной ложки стеарин расплавится, и скрепка отпадет. У другой ложки скрепка или совсем не отпадет, или отпадет позже, когда ложка нагреется сильнее.

Конечно, ложки должны быть одинаковые по форме и размеру. Если нет серебряной ложки, возьмите такие, какие у вас есть, но только из разных металлов. Где нагревание произойдет быстрее, тот металл лучше проводит тепло, более теплопроводен.

Из твердых веществ хуже всего проводит тепло керамика, пластмасса, дерево, ткань. Вот поэтому ручки у чайников или сковородок делают из пластмассы или дерева. А если ручка металлическая, то, чтобы не обжечь пальцы, приходится пользоваться тряпкой. Она тоже плохо проводит тепло и предохраняет руку от ожога, служит теплоизоляцией.

 

Вес — регулировщик теплоты

В природе существует еще один способ распространения теплоты — конвекция. Он наблюдается в жидкостях и газах. Основана конвекция на том, что участки жидкости или газа при нагревании становятся менее плотными и поднимаются вверх, а более холодные, более тяжелые слои опускаются вниз. Источник тепла обычно помещается внизу, поэтому происходит непрерывное передвижение нагретых слоев вверх, а холодных вниз. Но при невесомости, например, в помещении орбитальной станции, такой способ распространения тепла не действует. Ведь вес — регулировщик теплоты — отсутствует.

Чтобы проследить, как происходит конвекция у жидкостей, проделайте такой опыт.

Возьмите гладкую металлическую пластинку, например ровную металлическую крышку от стеклянной банки из-под консервов, положите на нее несколько кристаллов марганцевокислого калия, капните на них каплю воды и покройте тонким слоем стеарина. Края лепешки из стеарина плотно прилепите к пластинке. Налейте в стакан воду, накройте его пластинкой так, чтобы стеариновая лепешка оказалась внутри стакана. Придерживая стакан рукой, переверните его вверх дном.

Поставьте пластинку со стаканом на две опоры, чтобы к ней, ее средней части, был снизу доступ для свечи.

Поднесите к тому месту пластинки, над которым приклеен стеарин, горящую свечу. Лепешка, нагревшись, оторвется от пластинки, и поток горячей воды, окрашенный в фиолетовый цвет, устремится вверх. Вы увидите циркуляцию окрашенных потоков воды: теплые струйки идут вверх, холодные — вниз.

Опыт, демонстрирующий циркуляцию воздушных тепловых потоков, проделайте так. Возьмите стекло от керосиновой лампы, а если его нет, то бутылку из-под кефира с ровно отрезанным дном.

Поставьте ламповое стекло на горящую свечку. Она быстро погаснет. Свежий воздух к ней не поступает. Горячий воздух с продуктами горения устремляется вверх, а свежему воздуху пройти негде. Но если вы в ламповое стекло вставите полоску из плотной бумаги, она разделит внутреннее пространство на две половины: в той, где находится свеча, горячий воздух с продуктами горения по-прежнему будет идти вверх, а свежий, более холодный воздух будет притекать к свече сверху — по другую сторону перегородки.

Чтобы убедиться, что перегородка играет важную роль в снабжении свечи свежим воздухом и что без нее циркуляции воздуха не будет, выдерните бумажную полоску. Свеча моментально погаснет.

 

Заслон от теплоты

Зимой, в мороз выходя на улицу, вы применяете теплоизоляцию, попросту говоря, надеваете теплое пальто или шубу. Воздух, который содержится между волокнами ваты или меха, лишен возможности циркулировать от теплого к холодному, а сам по себе воздух, как и всякий газ, плохой проводник тепла. Поэтому пройдет много времени, пока вы почувствуете при сильном морозе, что шуба перестает греть.

Хотя нужно сказать, что шуба вообще никогда не греет, она только помогает сохранять то тепло, которое у нас есть.

Итак, для того чтобы предохранить что-либо от холода, применяется теплоизоляция. Но и от излишнего тепла приходится принимать теплоизоляционные меры. Когда космический корабль (речь идет о спускаемом аппарате, в котором находятся космонавты) с огромной скоростью летит в атмосфере Земли, его стенки трутся о воздух и сильно нагреваются. Чтобы предохранить экипаж, а если это автоматическое устройство, летавшее в районе Луны или какой-либо планеты, то для сохранения находящихся там приборов применяют теплоизоляционный, теплостойкий чехол. Он состоит из слоев плохо проводящих теплоту материалов, материалов, которые способны выдержать высокую температуру.

Уже говорилось о том, что газы плохо проводят тепло. Чтобы в этом убедиться, можно проделать следующий опыт.

Возьмите алюминиевую тарелочку от детской посуды, поставьте ее на небольшой огонь и, когда она достаточно нагреется, налейте на нее половину чайной ложки воды. Вода не испарится мгновенно, как следовало бы ожидать. Вода перекатится плоским шариком — сфероидом на самое низкое место тарелочки и замрет там на раскаленном металле.

Кажется странным, что вода не превращается сразу в пар. Конечно, вода испаряется, но этот самый пар, в который превращается вода, и предохраняет большую сфероидальную каплю от раскаленного металла. Пар в данном случае оказывается отличной теплоизоляцией.

Этот же опыт можно проделать и в упрощенном варианте. Когда вы гладите белье, переверните утюг и, если он достаточно нагрет, брызните на него водой. Она сразу превратится в маленькие круглые шарики, которые быстро покатятся по утюгу. Эти мелкие шарообразные капельки тоже не испарились мгновенно, их тоже защитила от жара утюга паровая прослойка, «паровая подушка». На этой «паровой подушке» водяные шарики и пропутешествовали по раскаленному утюгу.

Сейчас существуют аппараты, передвигающиеся на «воздушной подушке» — немного отрываясь от земли или воды. Мощные вентиляторы дуют вниз и создают такую плотную «воздушную подушку», что она выдерживает вес всего аппарата вместе с находящимся на нем экипажем. В нашем опыте происходило нечто похожее на этот способ передвижения. Только у нас с вами была не воздушная, а «паровая подушка» и создавала ее раскаленная поверхность металла.

Проделайте еще такой опыт.

Возьмите несколько маленьких кусочков сухого льда, положите их на гладкую поверхность алюминиевой тарелки. Наклоняйте тарелку в разные стороны. Кусочки сухого льда будут легко скользить по гладкой поверхности. Теплая поверхность алюминиевой тарелки (ее температура отличается от температуры сухого льда по крайней мере на 100 градусов) помогает углекислому газу более бурно выделяться. Под кусочками сухого льда получаются «углекислые подушки», на них и происходит скольжение.

 

Расширение при нагревании

Всем хорошо известно, что при нагревании тела расширяются. В термометрах ртуть или подкрашенный спирт находятся в маленьком баллончике. При нагревании ртуть или спирт расширяются и в виде столбика движутся по тончайшему каналу. Когда наступает тепловое равновесие, столбик останавливается, и на шкале можно увидеть, какая сейчас температура среды, которая окружает термометр.

А вот другой случай, когда можно убедиться, что тела при нагревании расширяются. Иногда в стеклянном флаконе притертая пробка так туго сидит, что ее не вытащишь. Очень большое усилие применить опасно — можно отломить горлышко и порезать руки. Поэтому прибегают к испытанному способу: к горлышку подносят горящую спичку, а флакон поворачивают, чтобы горлышко равномерно прогрелось. Пламени одной спички достаточно, чтобы стекло горлышка от нагревания расширилось, а пробка, не успевшая нагреться, легко вынулась.

Это случаи бытового применения физического закона. Можно проделать опыты, которые наглядно покажут, как изменяют свою длину металлы при нагревании и при охлаждении.

Вырежьте в деревянном кружке или бруске выемку, воткните в один ее край иголку, а ушко иголки положите на другую сторону выемки. В ушко вставьте вторую иголку и слегка воткните ее в дерево. Поднесите к первой иголке горящую свечку. Иголка нагреется, немного удлинится и наклонит вторую иголку, вставленную в ушко.

Сделайте тепловые весы. Для этого возьмите прямой кусок медной проволоки толщиной 1–2 миллиметра, длиной около 40 сантиметров. Воткните конец этой проволоки в отверстие, просверленное в деревянной палке примерно такой же длины, и подвесьте получившееся коромысло тепловых весов за середину на нитке. Уравновесьте его. Может быть, для этого нужно будет подрезать деревянную палочку или, наоборот, подвесить к ней небольшой груз, например кусочки бумаги. Можно добиться равновесия и передвигая точку подвеса коромысла. Осветите коромысло настольной лампой, чтобы на стене один его конец, например медный, давал тень. На этом месте укрепите на стене белую бумагу и отметьте карандашом положение тени, когда коромысло висит строго горизонтально. Затем возьмите две зажженные свечи и подставьте их под медную проволоку. Когда она хорошо нагреется, она удлинится, и равновесие нарушится. Потому что нарушилось соотношение плеч. Конец проволоки опустится на несколько миллиметров. Это будет хорошо видно по тени на стене. Если свечи убрать, медная проволока остынет, станет короче, то есть такой, какой была до нагревания, и коромысло наших тепловых весов, вернее, его тень встанет на свою метку.

 

Отражение и поглощение теплоты

Тепловые и световые лучи лучше всего отражает зеркальная поверхность. Несколько хуже, но тоже довольно хорошо отражают лучи белые и вообще светлые поверхности. Поэтому летом, особенно на юге, где много солнца, люди предпочитают ходить в светлой одежде. Темная одежда, даже если она сшита из легкой ткани, сильнее поглощает тепловые лучи и в ней значительно жарче.

Заметьте, что весной снег, покрытый пылью и копотью, тает гораздо быстрее, чем чистый снег на полях.

Проделайте такой опыт. Склейте из листа плотной бумаги цилиндр диаметром 5–6 сантиметров и закрасьте черной тушью изнутри площадку величиной примерно со спичечную коробку. Это может быть пятно неправильной формы. Прикрепите расплавленным стеарином к цилиндру с наружной стороны на одном уровне две десятикопеечных монеты. Одну монету прикрепите в середине того места, которое изнутри закрашено тушью, а вторую с противоположной стороны цилиндра. Наденьте цилиндр на горящую свечу. Ее пламя должно быть в центре цилиндра и против прилепленных снаружи цилиндра монет.

Чтобы удобно было поставить бумажный цилиндр на свечу, укрепите на свече картонный кружок с несколькими отверстиями для вентиляции. Кружок должен надеваться на свечу плотно, чтобы он не сдвигался вниз под тяжестью цилиндра.

Сколько бы вы ни повторяли этот опыт, всегда первой будет отваливаться монета, прилепленная к тому участку цилиндра, который изнутри закрашен черной тушью. Черная поверхность бумаги сильнее поглощает тепловые лучи, а поэтому и быстрее нагревается.

 

Несколько опытов с превращениями энергии

Вам известно, что энергия выражается той работой, которую кто-то или что-то (например, машина) может выполнить.

Про пружину, которая не заведена, можно сказать, что она никакой энергией не обладает, и поэтому часы, в которых она находится, стоят. Но стоит только завести пружину, и колесики у часов начинают вращаться, стрелки пошли в свой путь по циферблату. Работать пружина будет до тех пор, пока не истощится запас ее энергии, пока не потребуется снова пополнить этот запас — завести ее.

Энергия существует вечно, никуда не пропадает и только переходит из одного вида в другой. Когда остановились часы — это не значит, что энергия пружины исчезла бесследно. Она не пропала, а постепенно перешла в механическую энергию колес часового механизма. Механическая же энергия перешла в тепловую. Конечно, тепловая энергия здесь очень небольшая, она пошла на нагревание воздуха. И если мы ее не уловили, то совсем не значит, что ее нет.

Проделаем несколько опытов с превращениями некоторых видов энергии.

На длинную и узкую полоску картона наклейте две полоски толстой бумаги с маленьким зазором между ними. Согните картонную полоску и поместите ее между двумя толстыми книгами. Пустите по желобку на полоске маленький металлический шарик. Он разовьет, катясь, большую скорость и, совершив несколько колебаний вверх и вниз, наконец остановится. В начале опыта шарик обладал потенциальной энергией. Когда же вы его отпустили, потенциальная энергия перешла в энергию движения по дугообразному желобу.

Во время движения энергия шарика пошла на преодоление силы трения о поверхность желоба и о воздух, а от трения возникла теплота.

Стальная линейка, если ее согнуть, приобретает запас механической энергии — способность совершить механическую работу. При быстром выпрямлении она может перебросить, например, резинку в другой конец комнаты.

Когда вы накачиваете велосипедную камеру, насос сильно нагревается. Механическая энергия при сжатии воздуха в насосе перешла в очень заметную на этот раз тепловую энергию.

Вы каждый день можете наблюдать превращение энергии. Химическая энергия топлива превращается в тепловую, тепловая в механическую. Это происходит и в автомобиле, и в тепловозе, и в самолете. Такое же превращение энергии происходит и при взлете космического корабля, в первые минуты его старта, когда работают его двигатели.

А вот еще один интересный опыт превращения механической энергии в световую.

Возьмите кусок пиленого сахара (не прессованного, так называемого легкорастворимого) и щипчики, которыми колют сахар. Опыт проводится в полной темноте, когда глаза уже к ней привыкли. Вы колете щипчиками сахар и наблюдаете, что при этом происходит. В момент, когда щипчики раскалывают сахар, в месте раскола вспыхивает голубоватый огонек. Это вспышка холодного света. Холодное свечение возникает при разломе кристаллов и носит замысловатое название — триболюминесценция.

 

Превращение света в электричество

Мы привыкли легко превращать электричество в свет. Для этого нужно только повернуть выключатель. Но существует явление, когда свет превращается в электричество. Это явление называется фотоэффектом. Оно было исследовано и изучено выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым в конце прошлого века. Он установил, что если осветить цинковую пластинку ярким светом электрической дуги, тогда в той цепи, в которой эта пластинка находится, появится электрический ток. На этом открытии основано применение фотоэффекта в наши дни. Он широко применяется и в промышленности и в повседневной жизни. Звуковое кино, телевидение не могли бы существовать без применения фотоэффекта.

Но фотоэффект — это не только усиление электрического тока при освещении некоторых металлов, находящихся в электрической цепи. Фотоэффект может проявляться и по-другому.

В некоторых полупроводниках, когда они освещены, возникает электрический ток, которого раньше в них не было. Световая энергия в них превращается в энергию электрическую.

Одно из применений этого явления — использование его в фотоэкспонометре для определения экспозиции при фотосъемках.

Вы можете наблюдать, держа в руках фотоэкспонометр, как отклоняется его стрелка, когда он направлен на освещенные предметы.

Солнечные батареи на космических кораблях, спутниках, луноходах, орбитальных станциях обеспечивают нужное питание электрической энергией. Вы их часто видели на снимках и рисунках. Обычно это несколько панелей, на которых смонтированы полупроводниковые элементы. Солнечный свет, падая на эти элементы, превращается в них в электрический ток.

 

Космический опыт Жюля Верна

Герои известного романа Жюля Верна «Гектор Сервадак» попали на астероид. Они назвали его Галлией.

Астероид мчался в космическом пространстве, все дальше и дальше удаляясь от Земли. На нем находилось несколько человек.

Приведем один эпизод из жизни этих колонистов.

«Этот же день был примечателен переходом одной из стихий Галлии в новое физическое состояние; на сей раз способствовали этому сами колонисты.

После их окончательного переселения с острова Гурби на Теплую Землю им было необходимо ускорить замерзание Галлийского моря. Путь по льду облегчал сообщение с островом, выиграли бы от этого и охотники, получив более обширное поле деятельности.

Итак, в этот день капитан Сервадак, граф Тимашев и лейтенант Прокофьев собрали все население на высокой прибрежной скале, которою заканчивался мыс.

Вода в море не застывала, хотя была довольно низкая температура. Это объяснялось ее полной неподвижностью: морскую поверхность не волновало ни малейшее дуновение. Как известно, в этих условиях вода не превращается в лед даже при температуре на несколько градусов ниже нуля, но простого сотрясения достаточно для того, чтобы она мгновенно замерзла.

В назначенный час явилась также и маленькая Нина со своим юным другом Пабло.

— Поди сюда, моя голубка, — подозвал ее капитан Сервадак, — и скажи нам, сумеешь ли ты бросить в море кусок льда?

— Конечно, — ответила девочка, — но только мой друг Пабло бросил бы ледышку куда дальше!

— А ты все-таки попробуй!

И Гектор Сервадак вложил кусочек льда в детскую ручонку, сказав:

— Смотри во все глаза, Пабло! Увидишь, какая волшебница наша Нина!

Нина размахнулась, и льдинка полетела в водную гладь…

И тут же раздался оглушительный скрежет и треск, подхваченный где-то далеко, за пределами горизонта: вся вода на поверхности Галлийского моря мгновенно превратилась в лед!»

Здесь фантастичны только масштабы, но суть явления реальна, научно обоснована.

Кристаллические вещества плавятся и затвердевают при одной и той же температуре, постоянной для данного вещества (при условии постоянного давления).

Лед, например, тает при 0°.

Для того чтобы лед растаял, нужно, нагрев его до 0°, продолжать добавлять тепло. Это дополнительное тепло идет на разрывание связей между молекулами, образующими кристаллы льда. Но температура в процессе таяния будет сохраняться постоянная, равная 0°.

В лед вода превращается при той же температуре 0°, и эта температура не изменяется, пока данное количество воды не замерзнет.

Но вода, как и другие жидкости, принимающие при затвердевании кристаллическую структуру, обладает интересным свойством — ее можно переохлаждать, то есть доводить до температуры значительно ниже нуля. При этом вода не должна подвергаться сотрясениям.

Мы с вами проделаем опыт, описанный Жюлем Верном, но не с водой, а с более удобным для опыта веществом, да и масштабы будут скромнее. Мы поставим опыт с гипосульфитом — кристаллическим веществом, которое применяется в фотографии в качестве закрепителя. Когда будете покупать гипосульфит, обратите внимание, чтобы у него были крупные кристаллы и чтобы он был сухой.

Наполните стеклянный пузырек кристаллами гипосульфита. Затем поставьте его в кастрюлю с теплой водой и начните ее подогревать. Нужно добиться, чтобы весь гипосульфит расплавился, превратившись в прозрачную жидкость. Для этого наклоняйте пузырек из стороны в сторону, но так, чтобы вода не попала в него.

Сделайте из бумаги пробку и пропустите через нее стеклянную трубку от пипетки. Когда вы заткнете пузырек, узкий конец трубки должен входить в расплавленный гипосульфит. Наружный конец трубки заткните ваткой, чтобы в него ничего не попало. Пузырек поставьте в такое место, где он будет предохранен от сотрясений.

Через некоторое время, примерно через 2–3 часа, пузырек остынет до комнатной температуры.

Осторожно снимите ватку и бросьте в трубку кристаллик гипосульфита. Он должен быть такого размера, чтобы мог застрять в узком конце трубки.

На ваших глазах от конца трубки начнется стремительная кристаллизация всего содержимого пузырька. Гипосульфит мгновенно затвердеет — превратится в кристаллы.

Но самое любопытное, что пузырек, который несколько минут назад был холодным, теперь стал горячим. Вы знаете, что плавление и затвердевание кристаллических веществ всегда происходит при одинаковой температуре. Вот и теперь тепловая энергия выделилась в результате быстрой перестройки молекул гипосульфита, переходящего из жидкого состояния в твердое.