Глава 25. Великая теория — кинетическая теория газов

Теория всемирного тяготения Ньютона приобрела мировую известность. Его «Принципы» выдержали три прижизненных издания. Популяризация книги стала модной при королевских дворах Европы. Объяснение «Принципов» для широкого круга читателей написал сам Вольтер. Была издана даже «Теория Ньютона в изложении для дам». На образованных людей теория Ньютона произвела впечатление не только способностью блестяще навести порядок «на небеси», но и тем, что она явилась предвестником грядущих великих открытий. Мы считаем теорию Ньютона правильной, ибо она оказалась простой, плодотворной и связала воедино множество различных явлений, дав людям глубокое понимание.

Теория проста, ибо основана на ряде четких утверждений. Эта простота не нарушается тем, что получение некоторых выводов требует использования сложной математики. Успех теории Ньютона породил попытки создать другие теории, в основе которых лежали бы также законы движения. Например, очень простым кажется поведение газов. Нельзя ли построить такую теорию, которая «предсказывала» бы закон Бойля и приводила бы к другим следствиям, обогащая наше понимание?

Такие попытки привели к созданию кинетической теории газов. Суть ее заключается в идее, которая, если вдуматься, как и большинство великих открытий, довольно проста: давление газа есть результат бомбардировки стенок мельчайшими частичками, «молекулами», газа. Газы обладают простыми свойствами. Они всегда заполняют сосуд и в отличие от твердых тел или жидкостей оказывают одинаковое давление на все стенки сосуда. При постоянной температуре произведение (давление)х(объем газа) остается постоянным независимо от того, сжат ли газ или разрежен. Нагревание газов увеличивает либо их давление, либо объем, либо и то и другое, но происходит это у всех газов одинаково. Газы подвижны, легко проникают друг в друга и просачиваются через поры в стенках. Можно ли «объяснить» эти свойства на основе механической картины? Последователи Ньютона возродили идею греческих философов о том, что вещество состоит из «атомов огня», находящихся в постоянном движении. Теперь, вооруженные механикой, они могли придать этой картине реальный смысл и выяснить, на что же способны «атомы». Наиболее поразительным свойством, которое смогла объяснить такая теория, был закон Бойля.

Закон Бойля

В 1661 г. Бойль «не без удовлетворения и восхищения» объявил о сделанном им открытии — давление и объем находятся «в обратной пропорции». Этим он хотел сказать: (давление)~(1/объем) или при сжатии воздуха произведение (давление)х(объем) остается постоянным. Тот факт, что воздух при нагревании расширяется, был хорошо известен, так что необходимость оговорки «при постоянной температуре» была очевидна. Так Бойль открыл «воздушную пружину» — пружину, которая в отличие от твердой пружины Гука обладает переменной жесткостью.

В лаборатории вам, вероятно, приходилось знакомиться с «опытом Бойля» на примере сухого воздуха, но это делалось не для того, чтобы «открыть» известный закон, а в качестве упражнения для проверки вашего «искусства в обращении с природой». Вы были ограничены малыми изменениями давления (скажем, от 1/2 до 2 атм), и точность лимитировалась колебаниями комнатной температуры и конусообразностью стеклянного цилиндра, содержащего газ. Если отложить на графике зависимость давления от объема, то окажется, что точки лягут на гиперболу. Однако трудно быть уверенным, что получилась именно гипербола, и считать, что мы подтвердили закон Бойля. Поэтому лучше откладывать зависимость давления от 1/объем и искать прямую линию, проходящую через начало координат.

Измерения, проведенные Бойлем, не были очень точны и ограничивались давлением от доли атмосферы до 4 атм. Если вы проведете более точные измерения, то обнаружите, что pV меняется лишь на десятые доли процента. На вашем графике зависимости р от 1/V экспериментальные точки лягут весьма близко к теоретической прямой, проходящей через начало координат.

Поскольку (масса)/(объем) есть плотность, а масса постоянна, то величина 1/V характеризует плотность, и закон Бойля гласит:

ДАВЛЕНИЕ ~ ПЛОТНОСТЬ

В этом и состоит смысл следующего утверждения элементарной теории газов: «если поместить в ящик вдвое больше молекул, давление увеличится ровно вдвое».

Фиг. 1. Закон Бойля.

При проверке закона Бойля все измерения делаются при одной и той же температуре, т. е. линии на графике являются изотермами. Разумеется, на одной диаграмме мы можем изобразить несколько изотерм, как на фиг. 2.

Фиг. 2. Изотермы (закон Бойля ).

Однако с расширением области давлений наблюдаются заметные отклонения от закона Бойля. Этот закон лишь приближенно описывает поведение реальных газов. Он оказывается точным при малых давлениях и нарушается при больших, когда газ сжимается до высокой плотности. На фиг. 3 показаны экспериментальные данные при давлениях вплоть до 3000 атм. (Графики, описывающие поведение СО2 вплоть до ожижения, приведены в гл. 30.)

Фиг. 3. Отклонения от закона Бойля для воздуха при комнатной температуре.

Кривые дают зависимость давления от объема для идеального газа, подчиняющегося закону Бойля. Точки показывают поведение воздуха и при малых давлениях неотличимы от кривых. Масштаб по горизонтальной оси растягивается в 10 раз, а по вертикальной оси сжимается в 10 раз.

Теория

Бойль пытался угадать механизм, лежащий в основе его закона. Будучи хорошим химиком, он представил себе, что закон обусловлен поведением крохотных частичек. Частички газа, думал он, сопротивляются давлению, подобно груде маленьких шариков свалявшейся шерсти. Ньютон пошел дальше и вычислил силу отталкивания, необходимую для объяснения закона Бойля. Затем Д. Бернулли опубликовал свою теорию, которая предсказывала закон Бойля, не используя каких-либо специальных сил. Он показал, что движущиеся частицы, бомбардируя стенки сосуда, должны производить давление; он предположил также, что нагревание газа заставляет частицы двигаться быстрее. Это было началом современной теории. Попытка была смелая, но рассмотрение оказалось неполным. Лишь спустя столетие, в 1840 г., Джоуль и другие создали «кинетическую теорию газов», в основе которой лежало следующее утверждение:

Газ состоит из мельчайших упругих частиц, находящихся в быстром движении, а давление газа на стенки есть просто результат бомбардировки их этими частицами.

Джоуль показал, что такая теория может «объяснить» закон Бойля и дает важные сведения о самих частицах газа. Вскоре эта идея благодаря усилиям математиков и физиков превратилась в блестящую теорию, которая обогатила наше миропонимание.

Движущиеся частицы газа мы называем молекулами. Название это пришло из химии, где оно означает мельчайшие частицы вещества, которые могут еще существовать самостоятельно. Расщепите молекулу и вы получите отдельные атомы, свойства которых будут отличаться от свойств первоначального вещества. Так, молекула воды, Н2О, дает два атома водорода и один кислорода, свойства которых отличны от свойств молекулы воды. Предоставленные самим себе отдельные атомы группируются в пары Н2 и О2 — молекулы газов водорода и кислорода. В кинетической теории газов мы имеем дело с молекулами и предполагаем, что они не расщепляются при соударениях. Кроме того, мы считаем, что молекулы действуют друг на друга лишь в момент соударения; когда они оказываются достаточно близко друг к другу, они испытывают действие отталкивающей силы, но на очень короткое время. В этом фактически и заключается соударение.

Теперь вы имеете все необходимое для построения кинетической теории газов. Попытайтесь сделать это. Предположите, что давление газа обусловлено упругими ударами молекул в стенки сосуда. Первый этап состоит в проработке задач 1 и 2. Они начинаются со столкновений шариков и кончаются бомбардировкой молекулами, и это позволяет предсказать поведение газов. После того как вы осилите задачи, возвращайтесь к обсуждению деталей.

Приведенные ниже задачи помогут вам построить кинетическую теорию газов.

Успех планетарной теории Ньютона стимулировал попытки построить другие теории, основанные на ньютоновых законах движения и ряде очевидных предположений. Теория газов рассматривает газ как скопление мельчайших молекул, очень часто сталкивающихся друг с другом. Приписывая молекулам некоторые простые свойства (включая основное предположение, что они существуют!) и допуская, что к ним применимы законы движения Ньютона, удалось вывести (предсказать) закон Бойля и многие свойства газов. Как и в большинстве теорий, для получения выводов мы на основании неких предположений должны проделать ряд вычислений. Чтобы облегчить эти вычисления, вам предлагается серия задач о столкновении шарика. Они подведут вас к вычислениям, которые дадут ценные предсказания. Основные вычисления могут показаться сначала трудноватыми просто потому, что они относятся к таинственным молекулам, но если, проделав вычисления, вы на время оставите их, то вскоре убедитесь, что они были вполне осмысленными.

Задача 1

I. Обмен импульсом (количеством движения)

Шарик массой 2 кг, двигаясь со скоростью 12 м/сек, ударяется под прямым углом в массивную стенку и останавливается.

1) Импульс шарика до соударения равен ___.___ (единиц)

2) Импульс шарика после соударения равен ___.___ (единиц)

3) Изменение импульса шарика равно ___.___ (единиц)

4) Если третий закон Ньютона, который управляет соударением тел, верен и применим в этом случае, то мы можем сказать, что изменение импульса стенки (и того, с чем она скреплена) должно быть ___.___ (единиц)

II. Сила, которую оказывают ударяющие о стенку шарики

Предположим, что о стенку ударяется множество шариков массой 2 кг каждый, движущихся со скоростью 12 м/сек. Пусть в течение 10 сек о стенку ударяются и останавливаются 1000 таких шариков. Каково будет оказываемое ими давление на стенку?

Фиг. 4. Сосуд содержит шарики или молекулы, которые движутся взад и вперед между стенками и своими ударами создают давление.

Вычисляется давление на переднюю стенку.

Полное приращение импульса стенки (за период 10 сек) равно ___.___ (единиц)

( Примечание. На самом деле изменение импульса происходит скачкообразно, один скачок за каждый удар шарика о стенку, но можно вычислить полное приращение импульса и, используя его, подсчитать среднюю силу, т. е. силу, усредняющую эти скачки за весь период 10 сек. Чтобы найти величину этих скачков, необходимо знать время, которое требуется шарику, чтобы потерять свой импульс, другими словами, — длительность отдельного соударения. Это время не дано, так что можно вычислить только среднюю величину силы.)

Средняя сила, действующая на стенку в течение 10 сек из-за потери 1000 шариками своего импульса, находится из формулы F ∙ t = Δ( mv ). Средняя сила, F , действующая на стенку, должна быть равна ___.___ (единиц)

(Заметьте, что соотношение  F ∙ t = Δ( mv ). есть не что иное, как второй закон Ньютона. Поэтому используемые в нем силы должны выражаться в абсолютных единицах, как и в законе F = m ∙ a , т. е. в ньютонах.)

III. Сила, действующая на стенку при ударе упругих шаров

Предположим, что, как и в предыдущей части задачи, 1000 шариков массой 2 кг каждый в течение 10 сек падают на массивную стенку перпендикулярно ее поверхности, но на этот раз они отскакивают назад с той же скоростью 12 м/сек.

1) Импульс каждого шарика до соударения ___.___ (единиц)

2) Импульс каждого шарика после соударения ___.___ (единиц)

(Помните, что импульс есть вектор. Не забывайте знаков + и —!)

3) Приращение импульса одного шарика равно ___.___ (единиц)

4) Изменение импульса стенки равно ___.___ (единиц)

( Примечание. Ответ не будет равен нулю.)

5) Если в течение 10 сек о стенку ударяется и отскакивает, 1000 шариков, то полное изменение импульса стенки равно ___.___ (единиц)

6) Средняя сила, действующая на стенку на протяжении 10 сек, равна ___.___ (единиц)

7) Если все 1000 шариков ударяются об участок стенки высотой 2 м и шириной 3 м, то среднее давление (= сила/площадь) на этом участке равно ___.___ (единиц)

IV. Движение внутри ящика

Прежде чем заменить упругие шарики молекулами, мы должны поместить их в закрытый ящик. Возьмем продолговатый ящик длиной 4 м с единственным шариком внутри, который движется из конца в конец со скоростью 12 м/сек. Он ударяется перпендикулярно каждой из стенок и со скоростью 12 м/сек отскакивает в противоположную сторону. Теперь уже один и тот же шарик будет ударяться о каждую стенку много раз за 10 сек. Вместо того чтобы брать число шариков, ударяющихся о стенку, мы можем воспользоваться числом ударов, производимых одним шариком. Для нахождения силы, действующей на стенку, нужно считать удары только об эту стенку.

1) Между двумя последовательными ударами о стенку ящика шарик проходит расстояние туда и обратно, т. е. от передней стенки к задней и от задней к передней. Таким образом, он проходит ___ м.

2) При скорости 12 м/сек полное расстояние, пройденное шариком за 10 сек, равно ___ м.

3) Сколько раз шарик пройдет туда и обратно за 10 сек?

4) Сколько раз шарик ударится о переднюю стенку за 10 сек?

Таким образом, для получения 1000 ударов за 10 сек в ящике должно быть несколько шариков. На самом деле нужно примерно ___ шариков.

5) При каждом ударе о переднюю стенку импульс каждого шарика изменяется на ___.___ (единиц)

6) За 10 сек шарик ударяется ___ раз о переднюю стенку ящика, и при каждом ударе импульс меняется на ___.___ (единиц)

Полное приращение импульса передней стенки ящика за 10 сек равно ___.___ (единиц)

Полная сила, действующая на переднюю стенку в течение 10 сек, равна ___.___ (единиц)

(Давление определяется как сила/площадь, так что, если известна площадь, можно вычислить давление (среднее), вызванное ударами шарика. В нашем случае нет смысла вычислять давление, оказываемое одним шариком, можно проделать аналогичные вычисления для молекул и предсказать таким образом, давление газа.)

Теперь проведем аналогичные вычисления для молекул газа в сосуде.

Позднее мы повторим их с помощью алгебры ( задача 2 ).

V. Молекулы газа в сосуде

Металлический сосуд длиной 4 м со стенкой 3 м х 2 м содержит одну молекулу газа, которая движется взад и вперед вдоль сосуда со скоростью 500 м/сек, упруго отскакивая от его стенок. Молекула приближается к одной стенке, ударяется о нее и, отразившись, летит с той же скоростью к другой стенке, снова ударяется и опять отскакивает с прежней скоростью 500 м/сек. Масса молекул примерно равна 6∙10 -26 кг.

( Примечание . Простые химические измерения показывают, что молекулы кислорода и азота (в воздухе) приблизительно в 30 раз тяжелее атома водорода. Сложные физические измерения говорят нам, что масса атома водорода равна 1,67∙10 -27 кг.)

1) При ударе о переднюю стенку и отскоке импульс молекулы изменяется на ___.___ (единиц)

2) За 10 сек молекула проходит расстояние ___ м,

3) Между двумя последовательными соударениями о переднюю стенку молекула успевает долететь до другой стенки и вернуться назад, т. е. пройти расстояние ___ м.

4) В течение 10 сек молекула ___ раз пролетит туда и обратно и, следовательно, совершит такое же число ударов о переднюю стенку.

5) За 10 сек молекула раз ударится о переднюю стенку, изменяя свой импульс при каждом ударе на ___.___ (единиц)

6) Полное изменение импульса передней стенки за 10 сек равно ___.___ (единиц)

7) Средняя сила, действующая на протяжении 10 сек на переднюю стенку сосуда, равна ___.___ (единиц)

8) Давление равно (сила/площадь). Стенка имеет площадь 2 х 3 м 2 . Среднее давление на стенку равно ___.___ (единиц)

VI. Множество молекул в сосуде

1) Предположим теперь, что сосуд содержит 6∙10 26 молекул (600 000 000 000 000 000 000 000 000). Это приблизительно соответствует реальному числу молекул в таком сосуде, если наполнить его воздухом при атмосферном давлении [125] . В действительности же они хаотически движутся во всех направлениях, но для упрощения вычислений примем, что они рассортированы на три независимые группы, причем одна группа летает вверх — вниз, другая направо и налево, а третья — взад и вперед. Из соображения симметрии молекулы должны быть поровну распределены между тремя группами (фиг. 5). Давление на переднюю стенку сосуда обусловливается только ударами молекул, движущихся взад и вперед. Продолжим вычисление давления, учитывая только треть всех молекул в сосуде, т. е. 2∙10 26 , или 200 000 000 000 000 000 000 000 000 молекул, которые движутся со скоростью 500 м/сек вдоль 4-метрового сосуда, ударяются о его переднюю стенку, отскакивают со скоростью 500 м/сек, ударяются о заднюю стенку, отскакивают и так далее.

Используя результат части IV задачи, мы можем показать, что среднее давление на стенку сосуда будет равно ___.___ (единиц)

(Эти данные описывают поведение воздуха в комнате. Какую величину атмосферного давления в тех же самых единицах показывает барометр?)

Каково отношение вычисленного выше давления к атмосферному, измеренному в лаборатории?

2) Предположим, что передняя и задняя стенки сосуда сблизились так, что длина сосуда сократилась до 2 м (т. е. до половины первоначальной длины) без изменения числа молекул, их скорости и площади этих стенок.

Среднее давление на переднюю стенку равно ___.___ (единиц)

( Примечание . Арифметика в п. 2 почти та же, что и в п. 1. Решите и получите новый ответ.)

а) Вычислите давление р .

б) Вычислите произведение (давления)х(объем), умножив р на abc .

в) Повторите все решения с помощью алгебры. Возьмите сосуд длиной a , шириной b и высотой с , содержащий N молекул, движущихся со скоростью v м/сек.

Фиг. 5. К задаче 1.

Вместо случайных направлений движения, как изображено здесь ( а ), потребуем, чтобы были три группы ( б ) по 2∙10 26 молекул, движущихся параллельно граням сосуда. Теперь предположим, что давление на переднюю стенку создается ударами одной группы молекул (2∙10 26 ), движущихся взад и вперед ( в ). 

Задача 2. Кинетическая теория газов (алгебра)

(Рассмотрим поведение молекул в сосуде на основе алгебры. К задаче следует приступать после того, как сделана и проверена задача 1 .)

Предположим, что в сосуде заключено N молекул ( N молекул во всем сосуде, а не в каждом кубическом метре). Пусть длина сосуда равна а м, а размер передней и задней стенок Ь x с м 2 . В процессе хаотического движения со множеством соударений молекулы обмениваются импульсами и скорость их не остается постоянной. Однако мы полагаем, что если температура поддерживается постоянной, то их скорость близки к некой средней скорости, которую мы обозначим через v м/сек. Чтобы вычислить давление на стенку сосуда, мы должны учитывать только удары об эту стенку. Таким образом, для упрощения задачи мы считаем, что N молекул подразделяются на три равные группы, одна из которых движется вверх и вниз, другая влево и вправо, а третья — взад и вперед.

При вычислении давления на переднюю стенку мы учитываем только последнюю группу. Из соображения симметрии все N молекул должны разделиться между этими тремя группами поровну. Приняв эти предположения, ответьте на следующие вопросы, считая, что масса одной молекулы равна m кг.

1) При лобовом ударе молекулы о переднюю стенку и отражении изменение импульса равно ___.

2) Между двумя последовательными ударами о переднюю стенку молекула летит к задней стенке и возвращается, проходя полное расстояние ___ м.

3) За время t сек молекула, летящая со скоростью v м/сек, проходит расстояние ___ м.

4) Таким образом, в течение t сек молекула ___ раз возвратится назад и столько же рае ударится о переднюю стенку.

5) За время t сек молекула ___ раз ударится о переднюю стенку, передавал при каждом ударе импульс ___.

6) Таким образом, полное изменение импульса передней стенки из-за ударов одной молекулы за время t сек равно ___.

7) Но в сосуде находится  N  молекул, из которых ___ движутся взад и вперед. Полное изменение импульса передней стенки из-за ударов всех молекул в течение t сек равно ___.

8) Но F ∙ t = Δ( импульса ), т. е. F = Δ( импульса )/ t , а в нашем случае средняя сила, действующая на переднюю стенку сосуда на протяжении t сек, равна [126] ___.

9) Давление = (сила)/(площадь), а площадь передней стенки равна ___.

Таким образом, среднее давление на переднюю стенку равно ___.

10) Объем сосуда равен ___.

Таким образом, произведение (давление)-(объем) = ___.

Но m — масса одной молекулы, а их всего N , так что полная масса газа в сосуде, М кг = ___ кг.

Подставляя М в написанное выражение, находим:

(давление)∙(объем) = ___.

11) Если мы работаем с закрытым сосудом, исключающим утечку газа, то масса М постоянна.

Предположим, что температура также поддерживается постоянной. Тогда опыты показывают, что средняя скорость v будет оставаться постоянной. Если объем изменяется, то, согласно п. 10, ___.

12) Если мы измеряем объем газа, скажем в колбе, его массу (взвешивая колбу с газом и после его удаления) и с помощью барометра давление, то п. 10 дает возможность получить очень важную информацию — вычислить величину ___, которая представляет ___ молекул.

13) Единицы измерения. Если в п. 12 объем брался в м 3 , то массу нужно брать в ___, а давление должно измеряться в ___.

14) Из нашей теории получены два полезных предсказания: поведение газа п. 11 и заключение п. 12. Кроме того, получатся и другие результаты, но да все это нужно заплатить предположениями, которые легли в основу всего механизма. Выпишите на отдельном листе все предположения, сколько сможете,

а) относительно общих законов, применяемых к молекулам;

б) относительно предполагаемых свойств молекул, их поведения, размеров и т. д.

Трудности простейшей теории

Выражение, которое вы получили в задаче 2, по-видимому, приводит к непрерывному давлению молекул на стенку, предсказываемому законом Бойля. Но как может град ударов молекул создать непрерывное давление? Разве что они будут сыпаться c такой частотой, что сольются в постоянную силу. Для этого молекулы газа должны быть очень малы и многочисленны. Если они малы, то любая твердая преграда наподобие стенок сосуда будет казаться массивной по сравнению с отдельной молекулой. Тогда при соударении стенка сглаживает передаваемые ей импульсы в постоянное давление, которое мы и наблюдаем. (Что бы вы увидели, если бы стенки сосуда были столь же легкими, как сами молекулы?)

В приведенных задачах предполагалось, что молекулы летят от одной стенки к другой, не сталкиваясь по пути друг с другом, а ведь они, разумеется, сталкиваются, и без дальнейшей информации мы не сможем сказать, насколько часто. Как это повлияет на наши предсказания?

Фиг. 6. Сглаживание ударов.

Заштрихованная площадь — полная величина F ∙Δ t .

Задача 3. Столкновения в простейшей теорпи

а) Покажите, что для простых рассуждений в задачах 1 и 2 не имеет значения, сталкиваются молекулы или нет. (Рассмотрите две молекулы, которые движутся взад и вперед, от одной стенки к другой и при встрече проходят друг над другом без соударения. Затем предположите, что они сталкиваются лоб в лоб и отскакивают назад. Почему их вклад в давление не изменится? Объясните это с помощью чертежа.)

б) Какие специальные предположения о свойствах молекул требуются для ответа на поставленные выше вопросы?

в) Предположим, что молекулы, стали очень большими (сохранив, однако, свою скорость, массу и т. д.). Как это повлияет на давление вследствие их соударений? Возрастет ли оно, уменьшится или останется прежним?

г) Дайте ясное обоснование вашего ответа на предыдущий вопрос.

Молекулярный хаос

Молекулы сталкиваются друг с другом и со стенками совершенно случайным образом (лоб в лоб, под углом, вскользь) и поэтому не могут сохранять постоянную скорость v. Одни набирают скорость при соударениях, другие же теряют ее. Газ представляет собой хаос случайно движущихся молекул, скорости которых (при каждом соударении) могут изменяться в широких пределах. Но все же должно соблюдаться некое постоянство — ведь газ оказывает постоянное давление.

Выражение p∙V = 1/3 (N∙m∙v¯ 2 ) вовсе не подразумевает, что все N молекул движутся с одной и той же скоростью и каждая дает вклад mv¯ 2 . Мы говорим, что молекула 1 движется со скоростью v1, молекула 2 — со скоростью v1 и т. д, а молекула N — со скоростью vN. Тогда

p∙V = 1/3 (mv12 + mv22 +… + mvN2) =

= 1/3 [m∙(v12 + v22 +… + vN2)] = 1/3 m∙(N∙Среднее v2)

Следовательно, v2 в нашем выражении должно быть средним v ¯ 2. Именно поэтому мы ставим над ней черточку, обозначающую среднее значение. Так что теоретическая формула приобретает вид

ДАВЛЕНИЕ∙ОБЪЕМ = 1/3 m∙(N∙v ¯ 2)

Мы знаем, что если поместить газ в сосуд, то его давление с течением времени не будет прыгать вверх и вниз; давление и объем остаются постоянными. Следовательно, несмотря на все происходящие при столкновениях изменения, средняя скорость молекул v ¯ 2 остается постоянной. Таким образом, теория уже помогла нам навести порядок в молекулярном хаосе — получить постоянную v ¯ 2.

Более элегантный вывод

Введение множителя  1 / 3  для большинства выглядит как искусственный трюк. Вот более элегантный метод, в котором скорости молекул складываются с помощью простейших правил статистики. Предположим, что молекула 1 движется в сосуде со скоростью v 1 под углом к стенке (фиг. 7).

Фиг. 7. Другое рассмотрение движения молекул газа.

Каждая скорость v разложена на три составляющие x v,  y v и z v, параллельные граням сосуда. Затем по  x v 2 вычисляется давление и мы приходим к тому же результату.

Разложим вектор v 1 на три компоненты по осям х, у и z , параллельным стенкам. Тогда v 1 будет результирующей компонент скоростей x v 1 вдоль оси х ,  y v 1 вдоль оси у, a z v 1 , вдоль оси z . Поскольку оси взаимно перпендикулярны, то по теореме Пифагора

v 1 2 = x v 1 2 + y v 1 2 + z v 1 2

для молекулы 2

v 2 2 = x v 2 2 + y v 2 2 + z v 2 2

для молекулы 3

v 3 2 = x v 3 2 + y v 3 2 + z v 3 2

…

и т. д.

v N 2 = x v N 2 + y v N 2 + z v N 2

Сложим все эти равенства:

( v 1 2 + v 2 2 +  v 3 2 +… + v N 2 ) =

= ( x v 1 2 + x v 2 2 +  x v 3 2 +… + x v N 2 ) +

+ ( y v 1 2 + y v 2 2 +  y v 3 2 +… + y v N 2 ) +

+ ( z v 1 2 + z v 2 2 +  z v 3 2 +… + z v N 2 )

Фиг. 8. Составляющие скорости.

По теореме Пифагора v 1 2 = x v 1 2 + y v 1 2 + z v 1 2

Разделив на число молекул N , получим среднее значение:

v ¯2 = x v ¯2 + y v ¯2 + z v ¯2

Призовем теперь на помощь соображения симметрии и потребуем (игнорируя малые отклонения за счет гравитации), чтобы все три средних в правой части уравнения были равными; случайное движение большого числа молекул должно давать одно и то же распределение скоростей в любом направлении:

x v ¯2  = y v ¯2  = z v ¯2

т. е.

v ¯2 = 3∙ z v ¯2

Чтобы получить давление на стенку сосуда, мы будем дальше рассуждать по аналогии с задачей 2 , используя x v — составляющую скорости молекул вдоль сосуда. (Именно эта составляющая скорости и нужна нам, ибо y v и z v влияют только на движение от одной боковой стенки к другой и не участвуют в передаче импульса нашим стенкам.) Поэтому вклад молекулы 1 в произведение ( давление )∙( объем ) будет m∙ x v 1 ¯2 , а вклад всех N молекул будет

m ∙( x v 1 2 + x v 2 2 + … + x v N 2 ), или m ∙ N ∙ x v ¯2

Но он равен m ∙ N ∙( v ¯ 2 /3), так что

ДАВЛЕНИЕ∙ОБЪЕМ =  1 / 3 N ∙ m ∙ v ¯2

Предсказания кинетической теории газов

Рассмотрение молекулярных столкновений и законы Ньютона привели нас к выводу, что

ДАВЛЕНИЕ∙ОБЪЕМ = 1/3 N∙m∙v¯2

Он напоминает закон Бойля. Множитель 1/3 постоянен; N — число молекул — тоже постоянно (если они не улетают и не распадаются); m — масса молекул — постоянна. Поэтому если средняя скорость остается постоянной, то постоянно и 1/3 N∙m∙v¯ 2 , а следовательно, постоянно и p∙V, как обнаружил Бойль. Но остается ли неизменной скорость молекул? Сейчас мы не можем гарантировать это.

Но давайте на минуту забежим вперед и предположим, что молекулярное движение связано с тепловым состоянием газа и что при постоянной температуре средняя скорость молекул газа постоянна, как бы мы его ни сжимали. Объяснение этого факта вы получите позднее, а сейчас примите его на веру. Сделав это, найдем:

Для газа при постоянной температуре произведение p∙V постоянно.

Более простая форма получится, если вместо объема изменять плотность: удвойте число молекул в том же сосуде, и давление удвоится.

Что это, удивительное объяснение закона Бойля? Едва ли удивительное. Мы вкладывали в него столько предположений, не упуская из виду желаемый результат, что он вряд ли может польстить нашему тщеславию. Теория, вобравшая столько предположений и предсказавшая один-единственный уже известный закон, и то при дополнительном допущении относительно постоянства температуры, вряд ли заслуживает внимания. Но наша теория — это только начало. Кроме того, она позволяет «объяснить» испарение, диффузию, внутреннее трение в газах. Она предсказывает, как ведет себя газ при сжатии, облегчает конструирование вакуумных насосов. Она приводит также к измерениям, подтверждающим законность наших предположений. Однако, прежде чем перейти к дальнейшему развитию теории, остановимся на вопросе: «на самом ли деле существуют такие штуки, как молекулы?»

Существуют ли молекулы?

«Самое страшное — это косвенные улики. Обвинитель имеет в своем распоряжении все средства для расследования. Он вскрывает факты и отбирает только те, которые, по его мнению, существенны. Но если он придет к заключению о виновности подсудимого, то для него существенными фактами будут лишь те, которые указывают на вину подсудимого. Вот почему косвенные улики — ложь. Сами по себе факты не имеют никакого смысла. Объяснение фактов — вот единственное, что принимается в расчет».

Эрл Станли Гарднер

«Дело о попугае — лжесвидетеле»

Сто лет назад молекулы казались полезным понятием. Это была плодотворная концепция, позволившая легко обнаружить закономерности у химических соединений и давшая толчок развитию простейшей теории газов. Но существуют ли молекулы на самом деле?

В те времена имелись лишь косвенные улики, которые делали эту гипотезу вероятной. Однако многие ученые были настроены скептически, а один великий химик вплоть до начала этого века даже настаивал на своем праве не верить в молекулы и атомы, хотя прямне экспериментальные доказательства появились довольно давно, примерно в 1827 г. Это было броуновское движение.

Броуновское движение

Шотландский ботаник Роберт Броун (1773–1858) сделал удивительное открытие — он увидел молекулярное движение. Рассматривая через микроскоп взвешенные в воде твердые частицы, он обнаружил, что они находятся в беспрестанном движении. Этот танец делал частицы похожими на живые существа, которые ни на минуту не прекращали своего движения. При нагревании танец убыстрялся, а после охлаждения замедлялся до первоначального темпа. Теперь мы знаем, что любые твердые частицы в жидкости будут участвовать в точно таком же беспорядочном танце, лишенном ритма и системы. Броун наблюдал результат столкновений молекул воды с твердыми частицами. Их толкали со всех сторон, как толкали бы слона, окажись он на футбольном поле во время матча.

Понаблюдайте сами за «броуновским движением». Посмотрите через сильный микроскоп на частицы сажи в воде. А еще проще, понаблюдайте в небольшой микроскоп за дымом. Наполните черный ящик дымом от сигареты или гаснущей спички и осветите его сбоку сильным светом. Дым рассеивает во всех направлениях голубовато-белый свет, часть которого попадает и в микроскоп. Под микроскопом дым представляется маленькими кусочками белого пепла, которые скачут туда и сюда в совершенно беспорядочном танце (см., например, фиг. 89, стр. 530).

Понаблюдав за частицами пепла, вы поймете, почему Броун сначала принял их за живые существа, но вы можете представить себе, что это движение возникает в результате хаотических ударов молекул воздуха. Сегодня мы не просто считаем, что так может быть, а уверены, что это именно так и есть, ибо способны вычислить действие этих ударов и проверить наши вычисления с помощью наблюдений. Если бы молекул воздуха было очень много и они были бы бесконечно малы, они бомбардировали бы большую частицу пепла симметрично со всех сторон и мы не смогли бы увидеть броуновского движения. Но, с другой стороны, если бы окружающий воздух состоял из небольшого числа больших молекул, то частицы пепла при ударе молекул совершали бы неожиданные дикие скачки. Ясно, что истина лежит где-то посредине: в сосуде имеется множество молекул, ударяющих частицу пепла со всех сторон много раз в секунду. За короткий промежуток времени в нее попадали с каждой стороны сотни молекул, но на одну сторону случайно приходится на несколько сот толчков больше, чей на другую, и частица заметно перемещается. Большие скачки редки, но несколько мелких перемещений в одном и том же направлении превращаются в наблюдаемый сдвиг. Детальные наблюдения и расчеты говорят о том, что под микроскопом мы наблюдаем именно эти результирующие сдвиги. Хотя отдельные перемещения слишком незначительны и мы их не можем разглядеть, все же можно оценить их скорость, записывая и анализируя большие отклонения.

Вы сами увидите, что частицы поменьше танцуют быстрее. А теперь мысленно вообразите, что частицы становятся все меньше и меньше. Какое движение вы увидите, если размеры частиц достигают размеров молекул при условии, конечно, что мы сможем разглядеть саму молекулу? Но можем ли мы увидеть молекулы?

Можно ли увидеть молекулы?

Действительно, можно ли' А это было бы очень полезно. Мы уверены, что то, что мы видим, существует на самом деле, хотя имеется множество оптических иллюзий. Все исследования молекул, проведенные на протяжении прошлого века, привели ученых к заключению, что увидеть молекулы — дело безнадежное. Не просто маловероятно, а именно невозможно, и по веским физическим причинам. Мы реагируем на свет, который представляет собой волны с очень малой длиной волны — всего лишь несколько тысяч ангстрем от гребня до гребня [130] . Эти волны и создают видимое изображение Невооруженным глазом мы различаем форму булавочной головки с поперечником в 1 мм, или 1 0 000 000 А°;

— с помощью увеличительного стекла можем разглядеть волос толщиной 1 000 000 А°,

— с помощью слабого микроскопа видим частицы дыма размером 100 000 А°;

— с помощью сильного микроскопа видим бактерии размером от 10 000 до 1000 А°.

Но на этом ряд обрывается. Он должен оборваться — его ограничивает длина волны видимого света. Волны могут сделать видимыми препятствия, которые по своим размерам больше или порядка их длины. Например, океанские волны оставляют за островом ясно видимую тень спокойной воды. На меньшие препятствия они реагируют совсем по-другому. Встречая небольшое деревянное бревно, океанские волны не образуют за ним никакой тени. Они просто обтекают бревно и смыкаются за ним, как будто его и нет совсем. Слепой, бредущий по берегу штормового моря, может почувствовать присутствие близлежащего острова, но никогда не узнает о маленьком бревне, которое находится где-то тут же возле него [131] .

Длины световых волн лежат в пределах от 7000 А° для красного света до 4000 А° — для фиолетового. Попытка проникнуть в область коротковолнового ультрафиолета путем применения фотопленки (вместо глаза), натолкнулась на препятствие — волны поглощались, еще будучи длиннее 1000 А°; линзы, образцы и даже сам воздух «непрозрачны» для такого ультрафиолета. Рентгеновские лучи с еще более короткими длинами волн способны проходить через вещество и создавать тени, но практически не фокусируются линзами. Хотя рентгеновские лучи и имеют малые длины волн и могли бы помочь проникнуть в более тонкие детали структуры, они дают лишь теневую картину. Таким образом, барьер, созданный волновой природой света, кажется непреодолимым. Мы можем увидеть бактерии размером до 1000 А°, а вот вирусам, имеющим в десять раз меньшие размеры, суждено остаться невидимыми. Увидеть же молекулы, которые меньше вирусов в десятки раз, совсем безнадежно. А между тем вирусы, вызывающие многие болезни, привлекают пристальное внимание медиков. Существует мнение, что вирусы находятся на границе между живыми организмами и химическими молекулами. Увидев молекулы, мы смогли бы ответить на многие важнейшие вопросы химии.

Невидимость молекул доставляла много неудобств, но казалась неизбежной. В начале этого века косвенную информацию о строении молекул удалось получить с помощью рентгеновских лучей. Упорядоченные структуры атомов и молекул в кристаллах могут рассеивать рентгеновские лучи регулярным образом, наподобие того, как «расщепляется» свет, проходящий через сотканный материал (посмотрите ночью на удаленный фонарь через тонкий носовой платок или зонтик).

Картины рассеяния рентгеновских лучей выявляют расположение атомов и расстояние между слоями в кристаллах. Они подтвердили оценку размеров молекул из измерений с помощью тонких пленок масла. В последнее время дифракционные картины позволили установить очертания некоторых больших молекул, т. е. не только установить детали кристаллической структуры, но и получить указания о форме молекул. Затем, пока некоторые физики сокрушались, что «нет надежды», был изобретен электронный микроскоп. В нем вместо света через исследуемый тонкий образец проходит пучок электронов, который затем фокусируется электрическими и магнитными полями, образуя на фотопленке сильно увеличенное изображение. Длины электронных воля настолько меньше световых [132] , что позволяют различать даже «молекулы».

Поэтому теперь мы можем «рассматривать» вирусы с огромным увеличением и даже удается сфотографировать большие молекулы. Полученные контуры молекул хорошо согласуются с теми умозрительными картинами, которые рисовали химики, исходя из хитроумных рассуждений о химических свойствах этих молекул.

В последнее время созданы еще более «тонкие» методы. В конце нашей книги мы приводим фотографию отдельных атомов металла на острие булавочной головки. Почему мы не показываем ее сейчас? Да потому, что прежде необходимо познакомиться с атомной физикой, ее методами и подходами. Тогда вы поймете, насколько правильна эта фотография. Мы будем говорить об электронах сверхвысоких энергий, которыми сейчас прощупывают структуру атомных ядер, исследуя их теневое изображение.

За последнее 100 лет молекулы из мельчайших гипотетических кирпичиков теории превратились в такую реальность, что мы пытаемся даже разглядеть их форму. Большинство характеристик молекул — скорость, их число, масса, размер — были получены еще в прошлом веке на основе кинетической теории газов Теория порождала измерения, и измерения подтверждали теорию . А теперь мы оставим заботу о том, как увидеть молекулы, и посмотрим, что можно получить из простых экспериментов.

Измерение скорости молекул

Вернемся к нашему результату:

ДАВЛЕНИЕ∙ОБЪЕМ = 1/3 N∙m∙v¯2

Если верить этому выражению, то можно оценить реальную скорость молекул. Ведь N — это число молекул, а m — масса одной молекулы, так что Nm — общая, масса молекул газа в сосуде. Следовательно, выражение переписывается в виде

ДАВЛЕНИЕ∙ОБЪЕМ = 1/3 M∙v¯2

где М — общая масса молекул газа. Мы можем взвесить образец газа, измерить его объем при известном давлении, подставить результаты наших измерений в написанное выше соотношение и найти величину v¯ 2 — среднее значение квадрата скорости.

Опыт 1. Необходимые измерения показаны на фиг. 9. Мы измеряем давление обычного комнатного воздуха ртутным барометром. (Высота столбика, плотность ртути и величина ускорения силы тяжести, g = 9,8 ньютон/кг, дадут давление в абсолютных единицах, ньютон/м 2 [133] .)

Фиг. 9. Косвенное измерение скорости молекул на основе кинетической теории газов.

Взвесим воздух, который заполняет колбу. Для этого взвесим колбу, заполненную воздухом при атмосферном давлении, а затем, после того как весь или почти весь воздух выкачан из колбы, погрузим колбу в воду, откроем пробку, чтобы вода заместила воздух. Измерение объема воды в колбе даст нам объем воздуха известной массы. Подставив эта результаты, вычислим v ¯ 2 , а следовательно, и квадратный корень из него √ v ¯ 2 , который можно назвать средней скоростью (точнее, средней квадратичной скоростью ).

В задаче 4 приведены результаты этих измерений. Вычислите скорость.

Задача 4. Скорость молекул кислорода

Опыт показывает, что 32 кг кислорода при атмосферном давлении и комнатной температуре занимают объем 24 м 3 .

а) Вычислите плотность кислорода, т е. ( масса )/( объем ).

б) Используя соотношение кинетической теории газов, вычислите средний квадрат скорости молекул v ¯ 2 .

в) Извлеките корень и найдите среднюю квадратичную скорость в м/сек.

Молекулы воздуха носятся со скоростью 400 м/сек! Итак, теория дает полезные предсказания и подтверждает свои предположения, как ей и пристало! Мы предположили, что газ состоит из молекул, которые, по-видимому, движутся быстро, и наша теория на основе простых измерений показывает, сколь быстро они движутся. Но теория не может доказать правильность собственных предсказаний. Результат может подтверждать лишь правильность предположений теории. Так что нужна экспериментальная проверка. Если теория пройдет одно или два испытания, мы вполне можем положиться на ее дальнейшие предсказания.

Скорость молекул; экспериментальные данные

Грубые указания о величине скорости мы можем получить, изучая скорость звука и броуновское движение.

Задача 5. Скорость звука

Мы считаем, что звук переносится волнами сжатия и разрежения, причем изменение плотности и движение передаются от одной молекулы к другой благодаря соударениям. Если воздух действительно состоит из движущихся молекул, то что вы можете сказать об их скорости, зная, что измерения скорости звука в воздухе дают величину 340 м/сек?

Задача 6. Броуновское движение

Поглядев в микроскоп на дым, вы увидите быструю пляску больших частиц пепла и бешеную — маленьких.

а) Частицы могут быть настолько малы, что их не видно. Каково их движение?

б) Считая молекулы еще меньшими частицами пепла, что можно сказать об их движении?

Обе задачи просто имеют общее решение. А вот опыт, который показывает, насколько быстро движутся молекулы газа.

Опыт 2. На дно тонкой стеклянной пробирки выпускается жидкий бром [134] . Жидкость немедленно испаряется, и бурый пар, или «газ», медленно расползается по трубке. Затем тот же эксперимент повторяется с пробиркой, из которой выкачан воздух. Теперь освобожденные пары брома движутся очень быстро. (Молекулы брома движутся столь же быстро и в воздухе, но распространение газа замедляется множеством столкновений с молекулами воздуха.)

Фиг. 10. Движение молекул брома.

а — диффузия брома в воздухе; б — бром, выпущенный в вакуум; в — капсула 

Прямые измерения

Настоящей проверкой должны служить прямые измерения. Скорость молекул измерялась несколькими экспериментаторами. Мы рассмотрим типичный эксперимент, проделанный Цартманом.

Фиг. 11. Прямое измерение скоростей молекул.

а — схема опыта Цартмана ; б — различные стадии вращения барабана; в — развернутый образец пленки

1 — метки от молекул различных скоростей, 2 — нулевая метка, сделанная молекулами при неподвижном барабане.

Опыт 3. Пучок молекул пропускался через прорезь в цилиндрическом барабане, который мог быстро вращаться. Это были молекулы висмута, которые испарялись в вакууме из жидкого расплава в маленькой печи. Затем серия экранов с прорезями выделяла узкий пучок, который попадал в барабан. При каждом повороте щель барабана пропускала только небольшую порцию движущихся молекул. Когда барабан покоился, молекулы пролетали к противоположной стенке барабана и создавали отметку на пленке, расположенной за щелью. При вращении барабана пленка за время пролета молекул через барабан перемещалась на заметное расстояние и метка сдвигалась в новое положение. По этому сдвигу метки, диаметру барабана и скорости его вращения вычислялась скорость молекул. Когда пленка была извлечена из барабана, то на ней оказалась резкая центральная метка из осевшего металла, а метка, возникшая при вращении, имела вид размазанного пятна, которое говорило, что скорости молекул не были одинаковыми, а были разбросаны в довольно широкой области. Молекулы газа движутся хаотически, испытывая столкновения, и следует ожидать, что в любой момент имеется довольно разнообразный набор скоростей. В предсказаниях же кинетической теории фигурирует средняя, точнее, средняя квадратичная скорость √( v ¯ 2 ). Распределение скоростей относительно средней можно предсказать о помощью математической статистики случайных событий.

В опыте Цартмана пучок горячих молекул пара будет обладать тем же распределением скоростей с пиком при величине, характеризуемой температурой. Измерения потемнения пленки дали в точности такое же распределение и среднюю величину, очень хорошо согласующуюся с предсказанной простейшей теорией (фиг. 12) [135] .

Фиг. 12. Результаты опыта Цартмана.

Кривая характеризует плотность почернения (экспериментальные результаты). Крестиками показаны значения, предсказываемые кинетической теорией газов на основе статистики.

Скорости молекул в других случаях. Диффузия

Взвешивание бутылки водорода или гелия при атмосферном давлении и комнатной температуре показывает, что эти газы менее плотны, чем воздух; углекислый газ более плотен. Поэтому, согласно нашему предсказанию, p∙V = 1/3M∙v¯ 2 , молекулы водорода и гелия движутся быстрее молекул воздуха (при той же температуре), а молекулы углекислого газа — медленнее. Вот что получается на самом деле.

Задача 7. Скорости

а) Если молекулы кислорода при комнатной температуре движутся со скоростью около 400 м/сек, то с какой скоростью движутся молекулы, водорода?

б) Какова средняя скорость молекул гелия по сравнению с молекулами водорода при той же температуре? (Найдите отношение «средних» скоростей.)

в) Какова скорость молекул углекислого газа по сравнению с молекулами воздуха при той же температуре? (Найдите отношение «средних» скоростей.)

Задача 8

Рискните угадать [136] , будет ли скорость звука в гелии той же, что и в воздухе. А может быть больше или меньше?

Проверьте вашу догадку, наполнив органную трубу сначала воздухом, а затем гелием (или углекислым газом), или же вдохните гелий, а затем попробуйте сказать что-нибудь. (Рот и нос работают как миниатюрная органная труба.) Изменение скорости звука изменяет время, необходимое для прохождения звука от одной стенки трубы до другой, и изменяет таким образом частоту колебаний звука, повышая частоту основного тона.

Задача 9

Как, по вашему мнению, изменится скорость звука в воздухе при изменении давления и постоянной температуре? (Ответьте на этот вопрос, учтя, что 28,8 кг воздуха при комнатной температуре и давлении 1 атм занимают 24 м 3 , а при давлении 2 атм — 12 м 3 .)

Диффузия

Если скорости молекул разных газов столь отличны, то при прохождении через длинную тонкую трубку один газ должен отделяться от другого. Для этого трубочки должны быть настолько длинными и узкими, чтобы молекулы газа просачивались через них поодиночке.

Опыт 4. Подходящими порами обладает, например, неглазурованная керамика (фиг. 13 и 14). Именно такими порами пронизана белая керамическая кружка J . Если наполнить ее сжатым газом и закрыть пробкой S , то, как и следовало ожидать, газ через поры постепенно вытечет из кружки в атмосферу. Но если внутри и снаружи давление одинаково (атмосферное), то трудно ожидать утечки, даже если внутри и снаружи были разные газы. Однако изменения происходят, указывая на разные скорости молекул. Описанный опыт начинается с того, что внутри кружки находится воздух, а вне ее — другой газ, также при атмосферном давлении. Молекулы водорода проникают в кружку быстрое, чем оттуда выходит воздух, или же воздух выходит быстрее, чем «вползают» молекулы СО 2 . Это качественная демонстрация диффузии, но она подсказывает способ разделения смеси газов. Поместите внутрь кружки смесь водорода и СО 2 . Тогда водород независимо от того, что находится вне кружки — воздух или вакуум, будет диффундировать быстрее, чем СО 2 , так что, повторяя этот процесс несколько раз, можно получить почти чистый водород.

Фиг. 13. Диффузия газов.

Водород диффундирует внутрь сосуда сквозь пористую стенку J быстрее , чем воздух из него 

Фиг. 14. Диффузия газов.

Углекислый газ диффундирует внутрь сосуда через пористую стенку J медленнее , чем воздух из него

В этом и состоит физический метод разделения, основанный на различии молекулярных скоростей, которое обусловлено различием масс молекул (фиг. 15). Здесь не требуется различия химических свойств, и им можно пользоваться для разделения «изотопов» — близнецов, которые совершенно идентичны химически, но немного отличаются атомным весом. Когда впервые были открыты изотопы — один образец газообразного неона оказался на 10 % плотнее другого, а одни атомы свинца тяжелее других, — это казалось любопытным курьезом. Разделение имело смысл с точки зрения демонстрации эффекта. Диффузия естественной смеси неона в атмосфере давала такую возможность. Ню после того как стало известно, что в природном уране перемешаны два изотопа, один из которых легко расщепляется, а другой нет, выделение редкого изотопа стало вопросом первостепенной важности. Сейчас для этого в огромных масштабах используют диффузию газов (см. задачу 11 и фиг.16–18; см. также гл. 30 и 43.

Фиг. 15. Диффузия газов.

Воздух и углекислый газ при атмосферном давлении разделяются пористой перегородкой. Сначала они занимали равные объемы при одинаковом давлении и содержали одинаковое число молекул ( а ). Но молекулы воздуха в среднем проходят по порам быстрее, чем молекулы СО2. Поэтому число молекул и давление становятся неодинаковыми ( б ).

Фиг. 16. Разделение изотопов урана с помощью диффузии UF 6 через пористую перегородку.

Молекулы газа, много раз соударяясь, с перегородкой и стенками пор, частично проникают сквозь них.

Фиг. 17. Разделение изотопов урана с помощью диффузии UF 6 через пористую перегородку ( а ) и многоступенчатое разделение диффузией ( б ).

Смесь, прошедшая первую ступень, перекачивается на вход второй ступени. Неиспользованная смесь перекачивается назад на вход предыдущей ступени

Фиг. 18. Разделение изотопов урана с помощью диффузии.

Чтобы добиться почти полного отделения U 235 F 6, необходимы тысячи ступеней

Температура

Нагревание газа увеличивает р или V. С увеличением температуры всегда возрастает pV, а поэтому и 1/3 Nmv¯ 2 . Следовательно, нагревание газа увеличивает v2 и заставляет молекулы двигаться быстрее. В этом суть эффекта повышения температуры.

Задача 10

а) Как по-вашему, при повышении температуря воздуха скорость звука станет больше, меньше или останется той же самой? Объясните.

б) Как вы думаете, при повышении температуры диффузия газов происходит быстрее, медленнее или с той же скоростью? Объясните.

Развитие кинетической теории газов

Мы не в силах дать точных ответов на подобные вопросы, пока не изучим подробнее теплоту, температуру и энергию. Затем мы сможем извлечь новые данные о внутреннем трении в газе, теплопроводности и найдем способ измерения массы отдельной молекулы, так что сможем сосчитать мириады молекул в объеме газа. Мы вернемся к кинетической теории газов после изучения энергии. И именно кинетическая теория газов приводит нас к понятию энергии.

Что такое mv 2 ?

Выражение 1/3 Nmv2 очень важно с точки зрения изучения газов. Оно означает (забудем на время множитель 1/3):

ЧИСЛО МОЛЕКУЛ ГАЗА∙(mv 2 одной молекулы).

Что же такое mv2 для движущейся молекулы? Конечно, это масса, умноженная на квадрат скорости, но какого рода величину она характеризует? Каковы ее свойства? Уж не является ли она одним из членов ряда m… mv… mv2…? Масса m нам знакома. Она считается постоянной, а ее полное значение — сохраняющейся величиной. Знаком нам и mv — импульс. Он рассматривался как вектор, который также сохраняется. В такой ли степени полезна величина mv2? Строение ее таково:

mv∙v = Ft∙v,

или

СИЛА ВРЕМЯ ∙ РАССТОЯНИЕ / ВРЕМЯ

так что mv2 имеет вид (сила)∙(расстояние). Полезно ли это произведение? Чтобы сила действовала на некотором расстоянии, необходим двигатель, потребляющий топливо. Топливо… энергия.

Мы увидим, что для появившегося в теории газов выражения mv2 необходим только множитель 1/2, чтобы превратить его в «энергию».

Задача 11. Разделение урана (вариант см. гл. 30, задача 3 )

Молекула кислорода содержит два атома, и мы обозначаем ее O 2 ; молекула водорода также состоит из двух атомов Н 2 , а газообразный фторид урана имеет формулу UF 6 .

Химические опыты показывают, что относительные массы атомов О, Н, F и U равны 16, 1, 19, 238. Доказательства и блестящая догадка Авозадро приводят к заключению, что стандартный объем любого газа при 1 атм и комнатной температуре содержит одно и то же число молекул независимо от сорта газа (одно и то же для О 2 , Н 2 и UF 6 ). Кинетическая теория газов подтверждает эту догадку (см. гл. 30 ).

а) Обратившись вновь к задаче 7 , вы увидите, что замена О 2 на Н 2 меняет массу молекулы в отношении 32:2. Каково изменение при той же температуре у v ¯ 2 , т. е. у средней квадратичной скорости? (Во сколько раз молекула водорода при комнатной температуре движутся быстрее молекул кислорода? Напишите соотношение между новой скоростью и старой. Здесь вам не нужно повторять всю арифметику; просто проследите за изменяющимся множителем)

б) Проделайте то же самое, заменив кислород газообразным фторидом урана. Сделайте грубый арифметический расчет и найдите приближенное числовое значение.

в) Существует несколько сортов атомов урана. Масса обычного урана равна 238 (по сравнению с 16 для кислорода), но редкий изотоп 0,7 % в смеси, полученной из руды), тот самый, который легко делится, имеет массу 235. Один из способов (очень медленных) отделения этого редкого изотопа урана от обычного состоит в превращении смеси во фторид и диффузии газообразного фторида через пористую стенку. Поскольку молекулы фторида U 235 имеют несколько иную скорость, то после диффузии получится смесь с иными пропорциями.

1) Обогащается ли она или обедняется U 235 ?

2) Обоснуйте ваш ответ на предыдущий вопрос.

3) Оцените разницу в % средних скоростей молекул [U 235 F 6 ] и [U 238 F 6 ].

( Примечание . Как уже обсуждалось в гл. 11 (т. 1), изменение на х % в некоторой величине Q приводит к изменению 1 / 2 х % для величины √ Q .)

Задача 12

На фиг. 13 и 14 показаны два примера диффузии. Опишите, что там происходит, и объясните эксперимент.

Задача 13 . Сжатие газа с молекулярной точки зрения

а) Когда упругий шарик испытывает лобовое соударение с массивной стенкой, он отражается с первоначальной скоростью. То же происходит и с мячом, ударяющимся о массивную биту, которая удерживается на месте. Однако если бита движется в направлении к мячу, то он отлетит с другой скоростью. Как он будет двигаться — быстрее или медленнее?

б) (Вопрос трудный. Нужно хорошо подумать.) Что произойдет со временем упругого соударения, когда бита движется по направлению к мячу? Будет ли оно длиннее, короче или тем же самым, что и в случае неподвижной биты?

в) Если газ в цилиндре сжимается поршнем, его температура возрастает. Как это явление объясняется с точки зрения кинетической теорий газов?

г) Предположим, что сжатый газ расширяется и толкает поршень. Что произойдет с газом?

Задача 14. Размер молекул и их пробег

Пусть закрытый сосуд содержит большое число молекул газа при фиксированной температуре. Предположим, что по приказу волшебника молекула раздулись и стали больше, хотя их число, скорости и объем cocyда не изменились.

а) Как это повлияет на среднее расстояние от центра до центре молекул (сильно увеличится, уменьшится или изменится немного)?

б) Объясните ваш ответ.

в) Как это повлияет на среднее расстояние, проходимое молекулами между двумя соударениями (средняя длина свободного пробега)?

г) Объясните ваш ответ.

 

Глава 26. Энергия

Энергия и топливо

Проще всего сказать, что энергия объясняет все в физике, химии…., возможно, в биологии. Практически такое утверждение бессмысленно, а в некоторых случаях явно неверно. Чтобы правильно и успешно применять понятие энергии, необходимо знать, как оно возникло, и понимать, что же это такое. Только тогда вы сможете пользоваться понятием энергии как мощным орудием научного мышления.

Мы постараемся в этом курсе избегать говорить об энергии, пока не обсудим, что это такое, с нескольких сторон. Начнем сперва с житейского и довольно примитивного описания энергии как вещи, за которую нам приходится платить, как за топливо. Постепенно по мере уточнения смысл способа измерения и полезность понятия энергии будут становиться все более ясными.

Основа нашей цивилизации — топливо. Без топлива немыслима никакая общественная жизнь, по сути дела невозможна вообще жизнь, если пищу считать тоже топливом. Уголь для паровых машин, бензин для моторов, овес для лошадей, пища для людей — за все надо платить. Топливо необходимо нам для выполнения многих работ, и количество закупаемого топлива должно быть пропорционально количеству требуемой работы. Современный человек, который говорит: «Зачем мне топливо, у меня дома есть электричество», — тоже платит за топливо. Он платит за пользование электричеством, а для электростанции покупается уголь. Правда, для обогрева домов мы можем использовать солнечное тепло, а для вращения генераторов — силу падающей воды. Это «даровое» топливо. Но здесь есть вполне определенный предел. Солнце, нагревающее комнату, или речной поток снабжают нас определенным количеством «бесплатного» топлива, как богатые родители карманными деньгами. Мы можем получить определенную работу, но, как и карманные деньги, ее нельзя увеличивать беспредельно. В большинстве случаев мы косвенно пользуемся ядерным топливом Солнца. Река работает на солнечной энергии наших дней благодаря испарению и ветрам, а уголь вырос под солнечными лучами древних времен. Поэтому денежная цена — неподходящая для нас мера топлива, ибо она колеблется от бесплатного солнечного света и дешевых дров до нефти и угля, которые дороги, особенно вдали от источников сырья. Вместо этого мы подойдем к понятию энергии, получаемой из топлива, с другой стороны, с точки зрения того, куда это топливо идет. Многие виды работ требуют затраты топлива. Изучая их, мы видим, что количество топлива, необходимого для таких работ, пропорционально количеству работы. Рассмотрим, например, поднятие груза на гору или на крышу здания. Для этого необходимо топливо. Сколько бы его ни требовалось, две однотипные работы по поднятию груза потребуют уже вдвое большего количества топлива — вдвое больше кусков угля или вдвое больше литров нефти, или работы за то же время двух водяных колес вместо одного, или вдвое большего количества солнечного света. Догадываетесь, в чем дело? Количество топлива пропорционально работе.

Мы говорим, что энергия есть нечто, необходимое для совершения определенного количества работы и получаемое из топлива, а топливо— это источник полезной энергии. Ноне всякое дело и не каждая машина требуют затраты топлива. Для каких же работ оно все-таки необходимо? Нужно ли нам топливо, чтобы создать или поддерживать большое усилие или быстрое движение? Для работы винта не требуется больших затрат топлива. Можно создавать огромную силу практически без затраты топлива и уж, конечно, без пропорциональности его расхода величине силы или времени ее действия.

Достаточно небольшого поворота винта струбцины или тисков, и они могут неопределенно долго поддерживать силу без всякого снабжения топливом. Груз, лежащий на подпорке, создает «бесплатную» силу до тех пор, пока остается на ней. Тяжелый поршень, сжимающий газ в цилиндре, неопределенно долго может поддерживать высокое давление, не требуя «платы» за это. Не требует топлива и равномерное движение. Оно продолжается само по себе (первый закон Ньютона). Планеты и молекулы газа остаются в движении без затраты топлива. Так для каких же дел топливо все-таки необходимо и притом пропорционально работе? Давайте перечислим некоторые из них, известные нам из жизненного опыта.

а) Поднятие груза. Уже первые строители обнаружили, что для этого требуется топливо — пища для рабов, зерно для лошадей, падающая вода для водяных колес. Груз не поднимается сам. Даже если его толкнуть, он не будет продолжать подниматься сам по себе, а замедлится до полной остановки.

Фиг. 19.

б) Движение тележки по шероховатой дороге. Чтобы поддерживать движение тележки, необходимо топливо. Конечно, если тележка не движется, то тянуть ее можно и без всякого топлива. В этом случае вместо живого человека мы можем поставить статую, наклонив ее так, чтобы она вечно тянула тележку без какой-либо затраты топлива. Но если тележка поедет, то наша статуя упадет и окажется бесполезной. Для поддержания движения тележки по шероховатей дороге нужен либо живой человек, либо даровая машина, сжигающая уголь, либо электромотор, который постоянно требует электроэнергии.

в) Завод часовой пружины. Чтобы завести часовую пружину, нам приходится крутить ключ. Для растяжения или сжатия любой простой пружины необходимо движение руки или какого-нибудь другого механизма, потребляющего топливо. Заведенная пружина может поднимать груз или двигать тележку до тех пор, пока не раскрутится. (Подобную же работу может производить и сжатая или растянутая пружина, если ее отпустить.) По-видимому, деформированная пружина обладает способностью запасать работу — в ней можно «накапливать» топливо.

г) Ускорение какого-либо тела.

д) Нагревание бака с водой. Для этого, несомненно, нужно топливо, причем пропорционально не только повышению температуры, но и нагреваемой массе. Нетрудно придумать и другие примеры. Фиг. 20 заставляет нас еще подумать о взаимном превращении энергии из одной формы в другую.

Фиг. 20. Превращение энергии.

«Работа» и измерение энергии

Любой пример с поднятием груза, растяжением пружины или движением тележки по шероховатой дороге требует приложения силы, которая движется вместе с телом. Мы тянем груз вверх вдоль направления его движения, оттягиваем конец пружины вдоль направления ее растяжения. Можно ли в случае этих работ построить общую схему учета топлива — схему «измерения энергии», как мы будем именовать ее в дальнейшем?

Возьмем, к примеру, расход топлива при поднятии груза на стройке или в шахте — древнейшие механические примеры, где необходимость в топливе очевидна. Предположим, нам нужно поднять 2 кГ по вертикали на высоту 3 м. Возьмем сначала груз 1 кГ и поднимем его на высоту 1 м. Для этого нам потребуется некоторое количество топлива. Здравый смысл говорит, что если такое количество топлива требуется для поднятия 1 кГ на 1 м, то и для следующего метра потребуется то же самое количество, а потом для следующего снова то же количество и т. д. Всего поднятие 1 кГ на 3 м потребует тройного количества топлива. Возьмем, теперь груз потяжелее — 2 кГ. Поднятие двойного груза подобно поднятию двух грузов порознь. Здравый смысл и непосредственная проверка говорят нам, что расход топлива складывается: работа по поднятию может быть разбита на отдельные стадии. Поэтому, чтобы найти плату за поднятие 2 кГ на высоту 3 м, мы разлагаем работу на две части — поднятие 1 кГ на 3 м, а каждую из этих частей делим на три самостоятельных этапа: каждый есть поднятие 1 кГ на 1 м. Мы говорим, что поднятие 2 кГ на 3 м потребует вдвое большего количества топлива, нежели поднятие 1 кГ, и в 3 раза большего, нежели поднятие на 1 м, так что всего топлива потребуется в 2x3, или в 6 раз больше, чем для поднятия 1 кГ на 1 м. Таким образом, потребуется 6 кГм (килограммометров); 1 кГм означает

1 кГ (СИЛА) х 1 М (РАССТОЯНИЕ).

Представьте себе, что вся работа производится бригадой одинаковых демонов, каждый из которых переносит 1 кГ с одной ступеньки на другую, находящуюся на 1 м выше, а второй — с этой ступеньки на следующую, при этом каждый съедает стандартный кусочек пищи. Хотя здравый смысл и говорит нам, что подобное разделение труда вполне допустимо и что расход топлива складывается, но окончательно подтвердить это может только поднятие груза во всевозможных условиях. И опыт действительно подтверждает это.

Следовательно, полный расход топлива при поднятии груза можно измерять произведением

ВЕС∙ВЫСОТА

А это не что иное, как

СИЛА∙РАССТОЯНИЕ.

Фиг. 21. Разложение работы по поднятию груза на этапы.

Но применима ли эта мера к другим машинам, превращающим топливо в работу? Если к такой машине присоединить веревку, то мы можем заставить веревку либо поднимать груз, либо тащить тележку, либо растягивать пружину. Предположим теперь, что машина не знает или ей «все равно», что происходит на другом конце веревки, тогда естественно ожидать, что при одинаковой силе тяги и отрезке вытянутой веревки будет израсходовано одно и то же количество топлива. Таким образом, мера использованного топлива

ВЕС∙ВЫСОТА

обобщается теперь на произведение

СИЛА∙РАССТОЯНИЕ.

Фиг. 22. Работа.

Каждый демон производит единичную работу

Способность, которой обладает топливо в скрытой форме и которую оно посредством машины передает поднятому грузу, мы называем энергией. Поднятый груз также обладает такой скрытой способностью, позволяющей ему при падении поднять другой груз. В этом отношении энергия напоминает деньги, которые могут существовать во множестве различных форм (лежать в банке или идти в дело) и множеством различных способов могут переводиться туда и сюда. Однако произведение

СИЛА∙РАССТОЯНИЕ

мы называем не энергией, а «работой» и рассматриваем его как «свидетельство» передачи энергии.

Подчеркнем две особенности употребления слова «работа».

1) Смысл его гораздо уже того слова, которое мы повседневно употребляем, когда говорим о разработке какой-либо проблемы или о том, насколько трудно держать на вытянутой руке тяжелый груз, хотя в обыденной жизни слово «работа» употребляется также и в научном смысле, когда мы говорим о работе при поднятии груза. Здесь сказывается неудачный выбор обиходного слова в качестве определенного научного термина. Будь мы умнее, мы бы придумали для произведения силы на расстояние другое название, подобно тому как древние химики изобрели слово «газ». (Требует ли размышление над математическими задачами дополнительных затрат топлива-пищи и почему утомительно держать в руке тяжелый груз — вопросы психологические, и мы коснемся их позднее.)

2) Умножая силу на расстояние, необходимо брать расстояние, пройденное в направлении действия силы (или произведение пройденного расстояния на составляющую силы в направлении движения, что количественно дает то же самое.

Человек, который поддерживает движение тележки по шероховатой поверхности, должен все время подталкивать ее вперед, а это требует от него затраты некоторого количества топлива-пищи.

Фиг. 24, а — Paбoтa = F ∙ s ; б — человек, толкающий тележку, передает ей энергию F ∙ s и либо ускоряет ее, либо (на шероховатой дороге) просто поддерживает постоянное движение; в — статуя, толкающая тележку вбок. Сила F m передает энергию, а сила F L — нет.

Но сколько бы мы ни жали вбок, это не поможет движению и не требует топлива. Можно просто ваять статую и опереть ее о бок тележки, поставив основание на роликовые коньки так, чтобы все время скользили вместе с тележкой. Это не потребует затрат топлива, кроме возмещения потерь на трение.

«Сухой остаток» предыдущих пунктов 1 и 2 можно сформулировать в следующих утверждениях:

А. Работа означает произведение силы на расстояние, пройденное точкой приложения силы в направлении ее действия.

Б. Измеряемая таким способом работа характеризует величину энергии, переданной с одного места на другое или перешедшей из одной формы в другую.

Теперь приступим к более подробному описанию энергии — величины, количество передачи которой измеряется работой.

Топливо и цивилизация

Для современной цивилизации топливо — вещь необычайно важная. Для обогрева домов, приготовления пищи, для связи, для транспорта и работы всех механизмов в промышленности мы превращаем энергию, запасенную в огромных количествах топлива, в другие формы. Жизнь замерла бы, если бы мы лишились топлива. Но самое необходимое топливо — это пища. А нельзя ли изобрести такие машины, которые избавили бы нас от расхода такого количества топлива? Рычаги и системы блоков могут из маленькой силы сделать большую. Но могут ли такие «механизмы», как мы их называем в физике, увеличить также наши топливные ресурсы и выжать больше энергии из меньшего количества топлива? Такой «механизм» можно поставить в качестве посредника между потребляющей топливо машиной и работой. Разберем несколько типичных схем механизмов и посмотрим, чем они полезны

Механизмы

1. Рычаг или детские качели. Детские качели используются и как игрушка, и как устройство для уравновешивания сил. Однако при движении они могут передавать и энергию; надавив на один конец, можно заставить другой поднимать груз. Предположим, что машина (потребляющая топливо) прикладывает силу F1 в точке А, а в точке В бруса ABC проходит ось (фиг. 25). Тогда второй конец может поддерживать в точке С более тяжелый груз. По мере того как машина давит на точку А, тяжелый груз в точке С поднимается.

Фиг. 25. Машина поднимает груз при помощи рычага.

Но давайте подсчитаем изменение энергии, которое определяется не просто силой, а произведением силы на расстояние. Пусть конец А опустился на высоту s1. Передача энергии от машины к механизму в точке А равна при этом F1∙s1. Второй конец С толкает груз с силой F2, приподнимая его на высоту s2. Передача энергии от механизма к поднимаемому в точке С грузу равна работе F2∙s2.

Как же сравнить F1∙s1 и F2∙s2? Мы покажем, что они равны. Если F2 во много раз больше F1, то s2 точно во столько же раз меньше s1. Вот вам доказательство. Если вы еще не знаете правила уравновешенных качелей или рычагов, то их немедленно дают простые опыты.

Опыты

Опыт 1. Брус ABC (фиг. 26) посажен на ось в точке В таким образом, что в ненагруженном состоянии он уравновешен. Грузы же подвешиваются так, как это изображено на рисунке: 4 кГ на расстоянии 3 м от оси уравновешивается грузом на другом конце на расстоянии 2 м.

Фиг. 26. Качели для проверки правила равновесия.

Сила∙Плечо = Сила∙Плечо.

Опыт показывает, что правый груз должен весить 6 кГ. В этом примере [140]

4 кГ веса (СИЛА) ∙3 м (ПЛЕЧО) = 6 кГ веса (СИЛА) ∙2 м (ПЛЕЧО) ,

причем длина плеча есть расстояние по перпендикуляру между осью и направлением действия силы. Для такого сбалансированного рычага

СИЛА 6 кГ / СИЛА 4 кГ = ПЛЕЧО СИЛЫ 4 кГ / ПЛЕЧО СИЛЫ 6 кГ

Величина груза обратно пропорциональна длине его плеча.

Опыт 2. Более сложный случай.

Вернемся теперь к рычагу, связывающему машину с грузом (фиг. 27).

Фиг. 27. Более сложные случаи уравновешенных рычагов.

В каждом из случаев сумма произведений (со знаками + и —). Сила∙Длина плеча по перпендикуляру от оси до линии силы равна нулю.

Из опыта мы знаем, что силы F 1 и F 2 обратно пропорциональны длинам плеч L 1 и L 2 , т. е. F 2 / F 1 = L 1 / L 2 . Но из геометрии расстояния s 1 и s 2 пропорциональны плечам  L 1 и L 2 (треугольники, заштрихованные на фиг. 28, подобны)!

Фиг. 28. Работа машины.

Заштрихованные треугольники подобны. Следовательно, L 1/ L 2 = s 1/ s 2. В действительности, нагрузка и усилие перемещаются по дугам окружности, так что s 1 и s 2 немного искривлены, а «треугольники» на самом деле — секторы. Но к ним применимы те же рассуждения

L 1/ L 2 = s 1/ s 2

F 2 / F 1 = L 1 / L 2  = s 1/ s 2

F 1 ∙ s 1  = F 2 ∙ s 2

Следовательно, обе передачи энергии, работа F 1 ∙ s 1 и работа F 2 ∙ s 2 равны.

Фиг. 29. Рычаги могут пригодиться.

а — поднятие тяжелого груза, б — согнутый рычаг с одинаковыми плечами.

Работа  F 1 ∙ s 1  — это передача энергии от машины в рычагу, a F 2 ∙ s 2 — передача энергии от рычага к грузу. Поскольку  F 1 ∙ s 1  = F 2 ∙ s 2 , то мы говорим, что рычаг получает и отдает равные количества энергии.

Энергия на входе рычага равна энергии на выходе . Рычаг как механизм просто передает энергию, он не создает и не уничтожает ее. Это, однако, не мешает рычагу быть очень полезным средством для получения нужной величины силы или изменения ее направления, хотя он и не решает проблемы топлива. При наличии же трения в оси возникает небольшая сила сопротивления и некоторое количество вложенной энергии растрачивается бесполезно.

2. Блоки. Колесо блока работает как равноплечий рычаг (фиг. 30). Оно изменяет направление силы и зачастую, если мы того хотим, довольно сильно, но если трение отсутствует и колесо идеально круглое, оно не меняет величины силы.

Фиг. 30. Блок подобен равноплечему рычагу.

Фиг. 31. Блоки полезны.

Блок позволяет легко изменить направление силы

Таким образом, один блок не дает надежды изменить величину произведения силы на расстояние. А как насчет системы блоков — удивительных полиспастов, или талей, которые позволяют человеку поднимать громадные грузы, намного превосходящие его обычные возможности? Разберем изображенную на фиг. 32 систему, обращаясь иногда к вашему здравому смыслу (эквивалентному, как обычно, опытным знаниям, сложившимся в процессе воспитания и повседневной жизни).

Фиг. 32. Система блоков; отношение сил.

Определение отношения сил (передаточного числа) для системы блоков. По всей веревке передается одно и то же натяжение. Стрелки показывают натяжение веревки, внизу от руки человека, вверху — от груза.

Подобная система блоков используется для поднятия больших грузов. Какой груз сможет поднять такой механизм, если человек тянет веревку с силой 10 кГ? Шкивы блоков работают как равноплечие рычаги, изменяя направление силы, но не меняя ее величины, за исключением потерь на трение. Натяжение в 10 кГ передается веревкой А через блок на веревку В и т. д. на веревки С и D. Натяжение каждой из веревок — это сила, с которой натягивается каждый ее конец. Полная сила, действующая на веревки, прикрепленные к грузу, складывается из 10 кГ натяжения веревки В + 10 кГ натяжения веревки С + 10 кГ натяжения веревки D. В сумме это дает силу 30 кГ. Для равновесия, т. е. покоя или равномерного движения, она должна уравниваться весом груза. Следовательно, потянув с силой 10 кГ, человек будет поднимать груз 30 кГ, за вычетом, разумеется, потерь на трение. В реальных блоках трение требует своей небольшой доли и силой в 10 кГ удается поднять меньше 30 кГ. Это приспособление в лучшем случае дает отношение поднимаемого груза к силе тяги человека, равное 3:1. Отношение сил

«НАГРУЗКА» (= ВЕС ПОДНИМАЕМОГО ГРУЗА) / «УСИЛИЕ» (= УСИЛИЕ, ПРИЛАГАЕМОЕ ЧЕЛОВЕКОМ);

или

«СИЛА НА ВЫХОДЕ» / «СИЛА НА ВХОДЕ»

часто называется передаточным числом механизма. Наш набор блоков обладает передаточным числом, равным 3/1. Но это «теоретическое» значение для идеального механизма без трения. Практически же передаточное число из-за трения будет меньше 3/1.

Фиг. 33. Система блоков; отношение расстояний.

Определение отношения расстояний (отношения скоростей) для системы блоков. Представьте, что груз подняли на 1 м, и подсчитайте, сколько метров веревки нужно выбрать человеку.

Сравним теперь расстояния, пройденные тянущей рукой и поднятым грузом, или же их скорости движения. Для этого проще начать рассуждения с груза. Предположим, что груз поднят на высоту 1 м, скажем, какой-то магической силой, и у веревок образовалась «слабина». Уберем ее, вырезав в каждой из веревок В, С и D по метровому куску и вновь соединим их. Если эти три метровых куска не вырезать, то у каждой из веревок В, С и D была бы метровая слабина или в сумме трехметровая слабина. На самом же деле груз поднимается только за счет подтягивания конца А. Поэтому человек должен выбрать 3 м веревки. Отношение длин

ДЛИНА ВЕРЕВКИ, ВЫБРАННОЙ ЧЕЛОВЕКОМ / РАССТОЯНИЕ, ПРОЙДЕННОЕ ГРУЗОМ

часто называют отношением скоростей механизма, так как оно задает также отношение

СКОРОСТЬ ВЫБИРАНИЯ ВЕРЕВКИ / СКОРОСТЬ ГРУЗА.

выиграно в силе, столько же проиграно в расстоянии».

Сравним теперь передачу энергии в нашем примере: работа на входе равна 10 кГ∙3 м, или 30 кГм. Работа на выходе в лучшем случае равна 30 кГм∙1 м, или 30 кГм. За исключением потерь на трение, механизм не создает и не уничтожает энергии, а только передает ее, трансформируя силу тяги рук в нужную нам большую силу. Трение же поглощает часть энергии, превращая ее в теплоту.

Вы наверняка поймете эти простые рассуждения с блоками после проработки задач 1 и 2.

Покажите, что каждый из механизмов, описанных ниже, облегчает передачу энергии. Не изменяя произведения сила на расстояние, которое измеряет количество переданной энергии. (Рассмотрите идеальный случай без трения. Трение превращает часть поступающей энергии в теплоту.)

Задача 1. Простая система блоков

В изображенной на фиг. 34 системе одна веревка проходит черев несколько идеальных блоков. Чтобы найти возрастание силы, заполните пропуски в следующих рассуждениях.

Предположим, что человек тянет с силой 10 кГ.

Натяжение веревки А равно ___ кГ.

При отсутствии трения натяжение веревки В равно ___ кГ,

Натяжение веревки С равно ___ кГ.

Натяжение веревки D равно ___ кГ,

Натяжение веревки Е равно ___ кГ.

Веревка передает только натяжение, но не сжатие, так что груз W тянется с силой ___ + ___… кГ,

Груз W должен весить ___ кГ.

Сила возрастает в ___ раз.

Чтобы найти расстояния, проведите следующие рассуждения. Предположим, что груз W поднялся на 1 м, тогда каждая из веревок ___, ___, ___, ___ сократится на 1 м.

Человек выбрал ___ м слабины.

Пройденное расстояние изменилось в ___ раз.

Предположим, что блок Q на потолке удален и человека заставили тащить конец В вверх. Как это повлияет на передаточное число системы и отношение скоростей? Как это изменение скажется на эффективности системы?

Фиг. 34. К задаче 1

Задача 2. Система блоков

Система состоит из трех веревок FGH, IK, LM , каждая из которых одним, концом прикреплена к потолку. Человек тянет за другой конец веревки FGH . Концы веревок IK и LM прикреплены к осям блоков Q и R , как поковано на фиг. 35. Предположим, человек тянет за веревку F с силой 10 кГ. Тогда веревки, поддерживающие блок Q , тянут его вверх с силой ___ кГ. Но эта сила должна уравновешиваться натяжением веревки Т . Следовательно, натяжение веревки I должно быть равно ___ кГ. Аналогично общая сила тяги веревок, поддерживающих R , равна ___ кГ,

Фиг. 35. К задаче 2

Продолжая эти рассуждения, находим, что груз W должен весить ___ кГ.

Следовательно, сила возрастает в ___ раз.

Предположим, что груз W поднялся на 1 м. Блок S поднялся на 1 м. Это приведет к слабине ___ м у веревки LM . Чтобы убрать слабину, блок R должен подняться на ___ м.

Согласно аналогичным рассуждениям, блок Q должен подняться на ___ м. Человек должен выбрать ___ м веревки F .

Расстояние изменяется в ___ раз. Изменяет ли эта система (без учета потерь на трение) величину произведения силы на расстояние? ___ (да, нет)

Наука и слепые правила

Попробуйте угадать отношение сил и скоростей в системе блоков, изображенной на фиг. 35. Воспользовавшись рассуждениями типа приведенных выше (и которые требуются в задачах), вы правильно найдете отношение сил и расстояний. Если же вы будете исходить лишь из школьных правил, то можете получить неверный ответ.

Задача 3

Если вы не боитесь трудностей, попробуйте разобраться в поведении «дурацких» талей, изображенных на фиг. 36. Если потребуется — смастерите их.

Фиг. 36. К задаче 3.

Гидравлический пресс

Неподвижные жидкости и газы передают, не изменяя, давление во всех направлениях и на любые расстояния (за исключением возрастания давления с глубиной). В этом состоит закон Паскаля.

Экспериментальным подтверждением этого закона служит любая водопроводная система. Гидравлические прессы позволяют создавать легко управляемые громадные усилия для выжимания масла из семян, прессовки сена, штамповки чушек и т. д. Большие силы получаются из малых за счет давления жидкости на разные поршни. На фиг. 37 показан простейший пресс. Масло передает давление, создаваемое малым поршнем X, большому поршню Y. Когда X движется вниз, Y движется вверх, поднимая груз W. (Для обеспечения повторных ходов поршня X в его цилиндр поступают из резервуара дополнительные порции масла.) Если давление в масле составляет р кГ/см2, то оно давит

на малый поршень площадью а см 2 с силой F1 = p∙a кГ,

на большой поршень площадью А см 2 с силой F2 = p∙А кГ,

А отношение сил

p∙a/p∙А = А/а

Следовательно, если площадь большого поршня намного превышает площадь малого, то он сможет выдержать гораздо большую нагрузку. Теперь переходите к задаче 4.

Фиг. 37. Гидравлический пресс.

а — цилиндр и большой поршень помещены в обойму, материал для прессовки сжимается между большим поршнем и неподвижной обоймой; б — разрез, обойма не показана. Важная деталь, обеспечивающая хорошую работу пресса, — непроницаемый поршень, очень похожий на поршень велосипедного насоса. 

Задача 4. Гидравлический пресс

Диаметр малого поршня гидравлического пресса, изображенного на фиг. 38, равен 0,5 см, а диаметр большого — 5 см, т. е. в 10 раз больше. Площадь большого поршня в ___ раз больше площади малого. Давление масла на оба поршня одинаково.

Сила, с которой масло давит на большой поршень, должна быть в ___ раз больше силы давления на малый. По мере продвижения малого поршня вниз какой-то объем масла переходит из малого цилиндра в большой и поднимает большой поршень.

[ Примечание . Объем цилиндра = (высота)∙(площадь основания).]

Если масло не изменяет своего объема, то уменьшение объема малого цилиндра равно увеличению объема большого, а так как площадь большого поршня в раз ___ больше площади малого, то расстояние, пройденное им, составляет ___ от расстояния, пройденного малым поршнем.

Предположим теперь, что вместо непосредственного давления на малый поршень человек, работающий с прессом, воспользовался рычагом DBC (фиг 39), закрепленным на оси в точке В , который давит на малый поршень в точке D , если его потянуть вверх в точке С; DB = 5 см, ВС = 20 см. Рычаг позволяет человеку поднять груз в ___ раз больший, чем прежде. Полное отношение сил (передаточное число) равно теперь ___.

Однако большой поршень перемещается на гораздо меньшее расстояние, чем малый. Объем масла, выдавленного из малого цилиндра поршнем, равен произведению площади на ход поршня s1 или а∙s1. Этот объем перекачивается в большой цилиндр и давит на большой поршень. Если последний поднимается на высоту s2, то объем масла, заполнившего освободившееся пространство, равен А∙s2, а поскольку масло почти несжимаемо, объем а∙s1 равен объему А∙s2. Итак, отношение перемещений s1/s2 = A/a, но отношение сил также равно A/a, следовательно,

F2/F1 = A/a = s1/s2

И снова «насколько мы выигрываем в силе, настолько же проигрываем в расстоянии», так что

РАБОТА НА ВХОДЕ F1s1 = РАБОТА НА ВЫХОДЕ F2s2.

Наклонная плоскость

Вместо того чтобы тянуть груз вертикально, мы можем поместить его на тележку и воспользоваться наклонной плоскостью (фиг. 40). Однако спасает ли это от растраты энергии? Когда мы поднимаем груз весом W вертикально на высоту h, то изменение энергии, т. е. работа, равно W∙h. Вкатывание же его по склону требует работы, F∙L. Так что изменение энергии при вертикальном подъеме равно W∙h, а при наклонном F∙L. Но в гл. 7 мы показали, что без учета трения F/W = h/L, т. е. F∙L = W∙h.

Переход энергии от человека к грузу при любом способе будет одним и тем же.

РЕЗЮМЕ. Все попытки сэкономить энергию безрезультатны.

Фиг. 40. Поднятие груза.

а — прямое поднятие груза W на высоту h ; б — поднятие по наклонной плоскости без трения.

Что же такое энергия?

До сих пор мы так и не дали четкого определения энергии, а возможно, никогда и не сможем дать даже расплывчатого. Но после всех рассуждений о работе и топливе вы должны почувствовать, что ближе познакомились с энергией. Со временем это знакомство должно перерасти в ясное представление. Так, вы можете не соглашаться с каким-то определением справедливости, доброты, любви, но имеете право утверждать; «Я отлично знаю, что это означает: Я понимаю это». Так что пока энергия для вас — это нечто, содержащееся в топливе, нечто, способное переходить из одной формы в другую, причем количество переданной энергии измеряется произведением силы на расстояние. Переход энергии измеряется работой, поэтому «официальное» определение энергии гласит: «энергия — это способность производить работу». Качественно такое определение не слишком полезно; оно просто говорит: «если нечто обладает большой энергией, то оно способно передать много энергии чему-то другому». Количественно оно указывает лишь, что энергия должна измеряться в тех же единицах, что и работа.

Единицы энергии

Поскольку передачу энергии мы измеряем произведением сила на расстояние с размерностью:

(кГ)∙(метр), или (ньютон)∙(метр),

то в тех же единицах мы должны измерять и энергию.

Первая из этих единиц не слишком хороша. Ее часто применяют в технике, но это неподходящая единица для энергии движущихся тел в связи с тем, что F = ma. А вот вторая единица (ньютон)∙(метр) вполне годится. Ею настолько часто пользуются, что «заполучила новое имя — джоуль (сокращенно дж). Поскольку 1 ньютон приблизительно равен 1/10 кГ, то 1 дж приблизительно равен 1/10 кГм (точнее, 0,102). Однако в кГм входит «плохая» единица силы — кГ, тогда как в ньютон килограмм вошел в качестве единицы массы.

У нас еще нет способа измерить полную энергию, что бы эта «полная энергия» ни означала. Используя произведение сила на расстояние или работу в качестве меры переданной энергии, мы можем измерять только некоторые из ее переходов. Именно такие переходы энергии измеряются в джоулях или килограммометрах.

Формы энергии

Наблюдая за переходами энергии и измеряя их величину произведением сила на расстояние, мы можем описать некоторые из ее форм.

Фиг. 41. Работа.

Закрученная пружина обладает запасом упругой энергии, или энергии деформации. Груз, поднятый над землей, запасает энергию силы тяжести. Нефть или бензин обладают химической энергией, которую можно превратить в энергию силы тяжести, заставив машину поднимать груз. В фейерверочных ракетах и взрывчатке запасена химическая энергия, которая может внезапно высвободиться. Пища также обладает запасом химической энергии, часть которой наше тело превращает в упругую энергию или энергию силы тяжести, когда мы закручиваем пружину или поднимаем груз.

Движущаяся тележка также обладает запасом энергии за счет своего движения, ибо, если к ней прицепить веревки и блоки, она сможет поднимать грузы. Однако при этом она должна терять часть энергии, своего движения. Такую энергию движения мы называем, кинетической энергией. Обратите внимание, что в наших рассуждениях об энергии предполагается, что она никогда не была создана и никуда не теряется, а только преобразуется.

Если передвинуть тележку с одного места на другое, оставаясь на том же уровне над землей, то энергия силы тяжести не изменится. Когда движение начинается и заканчивается состоянием покоя, то мы можем считать его «свободным», т. е. в конечном итоге переход энергии отсутствует. Пусть тележке сообщена небольшая кинетическая энергия (заимствованная из некоего источника энергии силы тяжести или химической энергии) а ей дана возможность, не меняя уровня, переехать без трения на новое место. Остановим ее там, отобрав кинетическую энергию (и возвратив ее источнику).

Нетрудно вообразить устройство, например наподобие изображенного на фиг. 42, которое может-сделать все это.

Фиг. 42. Превращение кинетической энергии в потенциальную.

Движущаяся тележка зацепляется за веревку, которой можно поднять груз. По мере поднятия груза тележка тормозится.

Известно, что тележка, движущаяся с некоторой кинетической энергией по шероховатому полу, останавливается. Пропадает ли ее энергия или только переходит куда-то? Придерживаясь своего убеждения, мы ищем новую форму энергии. При трении шероховатых поверхностей должна выделяться теплота. Но можно ли говорить о тепловой энергии? Прежде теплоту считали формой энергии.

Она рассматривалась как некая неразрушимая жидкость. И целый ряд замечательных экспериментов, проведенных еще в прошлом веке, показал, что теплота — все-таки форма энергии. После этого в схему были включены еще несколько форм, тем самым была создана великая система энергии, постоянной в любой замкнутой области. «Закон сохранения энергии» разбирается нами в гл. 29, а сейчас попытаемся нарушить этот закон, создав механический вечный двигатель.

Вечный двигатель

Простейшие механизмы, такие, как рычаги и блоки, преобразуют силы и скорости в соответствии с нашими желаниями и даже довольно сильно. Однако потребление топлива, измеряемое произведением сила на расстояние , не изменяется и даже возрастает, если учесть потери на трение. Полезная энергия на выходе механизма равна энергии на входе , уменьшенной потерями на трение. И все же на протяжении веков человек стремился избежать затрат топлива, а искушение и надежда и по сей день все также необычайно велики. Возможно, что рычаги и блоки слишком примитивны. Не может ли более хитрый механизм выдать энергии больше, чем получил? Это были поиски «вечного двигателя», вошедшие теперь в список «великих заблуждений науки».

Такой механизм действительно принес бы своему изобретателю вечную славу, ибо он, разумеется, перевернул бы весь ход цивилизации. О таких механизмах мы говорим как о «вечных двигателях». Сейчас мы убедились, что сделать их невозможно. Название «вечный двигатель» не совсем удачно, так как может наводить на мысль, что самое главное — ликвидировать трение и получить таким образом то, что можно назвать вечным движением . Если бы цель заключалась только в этой, то мы почти достигли бы ее, скажем, с помощью колес, вращающихся на шарикоподшипниках, а в Природе оно давно существует в виде вращения Земли, движения планет, атомов и т. д. Однако эти случаи вечного движения не могут служить вечными двигателями , ибо если мы попытаемся отобрать энергию, то все замедлится и в конце концов остановится.

Вечный двигатель должен, конечно, крутиться сам по себе, восполняя какие-то небольшие расходы на трение из дополнительной энергии на выходе. Но самая существенная особенность — непрерывное движение или постоянное вращение было бы просто «вечным движением», красивым, но бесполезным. Чтобы принести вечную славу и богатое вознаграждение своему создателю, двигатель должен не просто постоянно крутиться, подкармливая только самого себя. Энергия на его выходе должна превышать энергию на входе так, чтобы он мог обеспечивать себя, оставляя еще, кроме того, кое-что для полезной «бесплатной» работы. Он должен был бы постоянно давать прибыль работы без затрат топлива. Он должен был бы, постоянно двигаясь, быть способным поднимать грузы или, работая вхолостую, двигаться все быстрее и быстрее ?

Такой двигатель, обеспечивающий постоянное снабжение энергией из ничего, мы и называем вечным. Можно ли создать подобный механизм? На протяжении веков за решение этой проблемы неоднократно предлагалось огромное вознаграждение. Она манила виднейших мыслителей и интриговала талантливейших конструкторов. Но все попытки были тщетны. Всегда находилась какая-нибудь «загвоздка». Решения предлагались и известными учеными-изобретателями и болтунами-шарлатанами. Предпринимателей соблазняли возможные баснословные барыши, некоторые рисковали своими деньгами и теряли их, когда двигателя не получалось или шарлатан-изобретатель скрывался. Шло время и предложения становились более сложными. Простые колеса с откидными спицами или скользящими грузами уступали место механизмам со сложными зубчатыми передачами, схемам, в которых электромотор и генератор крутят друг друга с отдачей энергии [147] и даже с заманчивым использованием жидкого воздуха. Все это действительно было испробовано и оказалось безуспешным. Все попытки получить постоянный приток энергии без использования топлива провалились . Во всех проектах в результате критического разбора даже без построения рабочей модели были обнаружены ошибки, так что их неудача предсказывалась уже на основе общих знаний. Это настолько убедило ученых в невозможности создания вечного двигателя, что теперь они возвели свое убеждение в общий принцип, называемый часто Первым законом термодинамики .

Фиг. 43. Простой проект вечного двигателя.

а — в отделениях колеса находятся шарики; б — к колесу на спицах приделаны грузы, которые могут поворачиваться между ограничителями на ободе.

Если мы поверим в невозможность механического вечного двигателя, то отсюда уже ружей подать и до уверенности в сохранении энергии. Механизм не может создавать энергию, а может только поглощать часть ее. И лишь когда мы учтем тепло и т. п., то сохранение энергии гарантировано.

На какую же точку зрении встанете вы сами? Продолжите ли поиск вечного двигателя или безоговорочно примете категорический отказ ученых от него? Ввиду очевидности последнее, по-видимому, разумнее. По крайней мере мы не советуем вам начинать с сомнений и с постановки собственного эксперимента. Впрочем, то, что вам приходится платить за бензин или электричество, есть в некоем смысле результат эксперимента, механизма, способного создавать топливно не существует. Не лучше ли удовлетвориться доскональным разбором таких механизмов и убедиться, что сооружение из рычагов и блоков нельзя превратить в вечный двигатель? Попытайтесь найти «загвоздку» в более сложных устройствах, предлагавшихся в качестве вечных двигателей. После этого вы, быть может, станете, как и все ученые, защитником общепринятого убеждения, что вечный двигатель невообразим, невозможен, противоестествен.

Обратите внимание, однако, что это утверждение не имеет доказательства. Это своеобразный сплав результатов экспериментальных проверок и « символа веры » [148] . Ученые, хорошо знакомые с перепутанным клубком подтверждений, стойко придерживаются этой точки зрения. Впрочем, еще в нашем веке рухнули два великих убеждения: сейчас мы можем создавать и разрушать вещество и один химический элемент превращать в другой. Теперь мы воздерживаемся называть мечту алхимиков о превращении свинца в золото одним из «заблуждений науки». Почему же мы так уверены в сохранении энергии и невозможности вечного двигателя. Частично из-за многочисленности и разнообразия подтверждений, частично из-за того, что самая идея энергии искусственна и создана специально для того, чтобы выразить результат наших размышлений над окружающим миром, наше впечатление о нем. Так что в отличив от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия — наше собственное изобретение, построенное так, чтобы сохраняться, даже если наши представления о ней будут меняться из года в год. К тому же расширение нашего представления об энергии, каким бы фантастическим оно ни казалось вначале, с течением времени находит все большее и большее подтверждение. Тем не менее сохранение энергии должно свидетельствовать о чем-то очень важном в устройстве Вселенной.

Фиг. 44. Простой проект вечного двигателя.

Бесконечная веревочная петля частично погружена в воду. Соединение  Y должно быть идеально гладким и не допускать утечки, но это требование не может служить препятствием.

Фиг. 45. Еще один проект вечного двигателя.

К бесконечной ленте, пропущенной через два блока (трение отсутствует) и помещенной в воду, прикреплены чашечки с воздухом, закрытые тяжелым поршнем. Когда чашечки повернуты вверх (слева), воздух сжимается весом поршня больше, чем когда они повернуты вниз. Следовательно, чашечки слева вытесняют меньше воды, чем справа, и должны испытывать меньшую выталкивающую силу. (Хотя в блоках, как и в поршнях, трения быть не должно, существенное препятствие не в этом)

Измерение различных форм энергии

В те времена, когда впервые сформировалось ясное представление об энергии, были известны только такие формы, как кинетическая энергия движения, потенциальная энергия силы тяжести и упругая потенциальная энергия. В отличие от кинетической энергии последние две формы назывались потенциальной. Сумма кинетической и потенциальной энергий остается постоянной при множестве простых механических изменений: падении камней, раскручивании пружин, движении систем грузов и блоков. Это сохранение (кинетическая энергия + потенциальная энергия = const) не удивительно, ибо, как мы видели, именно с учетом этого равенства была определена кинетическая и выбрана потенциальная энергия. Интересно, что возникающее в результате представление об энергии просто и удобно для работы. Остается только удивляться и восхищаться тем, что систему эту можно дополнить другими формами энергии до великого закона сохранения — мощнейшего орудия физической теории.

Потенциальная энергия силы тяжести

Сжигая топливо или используя другие источники энергии, можно поднять груз вертикально вверх. При этом работа, равная произведению вес на прирост высоты, определяет энергию, переданную топливом полю силы тяжести.

Δ (ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ) = ВЕС ∙ Δ ВЫСОТЫ

Нам трудно указать местоположение этого прироста энергии, но его величина точно определена и поднятый груз, несомненно, «обладает» им.

Когда потенциальная энергия уменьшается,

Δ (ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ) = ВЕС ∙ Δ ВЫСОТЫ

При этом как Δ (потенциальной энергии), так и Δ высоты отрицательны, или

УМЕНЬШЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ = ВЕС ∙ ВЫСОТА ПАДЕНИЯ ПО ВЕРТИКАЛИ

Опыт 3. Чтобы приобрести хотя и ложное, но полезное «ощущение» потенциальной энергии силы тяжести, проделайте такой эксперимент.

Держа обеими руками тяжелую книгу, крепко упритесь ногами в пол. Закройте глаза и несколько раз медленно поднимите и опустите книгу. Как только вы почувствуете вес книги, вообразите, что никакой силы тяжести на самом деле нет, а книга притягивается длинной-предлинной пружиной, прикрепленной где-то внизу, в центре Земли (фиг. 46). Нарисуйте в своем воображении такую пружину и почувствуйте, как вы р-а-астягиваете ее, поднимая книгу вверх. Если вы очень постараетесь вообразить это, то почувствуете, что такая пружина и впрямь существует. А теперь, оставаясь с закрытыми глазами, подумайте об энергий, запасенной в растянутых кольцах пружины.

Энергия упругой деформации (энергия, запасенная в растянутой пружине, и т. п.)

Растянутая, сжатая или закрученная пружина, изменившая свою нормальную форму, запасает в себе потенциальную энергию. Мы утверждаем это не потому, что видим некую энергию, запасенную в деформированном металле, а потому, что, позволив пружине уменьшить свою деформацию, можем произвести работу, измеряемую произведением сила на расстояние. Мы знаем также, что работа, т. е. произведение сила на расстояние, была затрачена при создании деформации. Эту энергию мы называем потенциальной энергией упругой деформации и можем считать, что она запасается силовым полем, действующим между атомами или молекулами пружинящего материала:

ЭНЕРГИЯ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ = (СРЕДНЯЯ СИЛА ПРИ СЖАТИИ ПРУЖИНЫ)∙(ВЕЛИЧИНА СЖАТИЯ)

Газы тоже пружинят и им также можно приписать энергию деформации. Но если представить себе молекулы газа, которые носятся хаотически взад и вперед, то такая мысль покажется абсурдной. Так как молекулы постоянно находятся в движении, возникает подозрение, что энергия, запасенная в газе, есть на самом деле кинетическая энергия молекулярного движения, а вовсе не упругая энергия.

Кинетическая энергия. Энергия движения

Теперь мы покажем, что энергия движения, «кинетическая энергия», должна вычисляться по правилу

Екин = 1/2 (МАССА)∙(СКОРОСТЬ)2

Оно получается из формулы F = m∙a. Пусть сила F ускоряет массу М, перемещая ее на расстояние s. Если вначале масса покоилась и затем достигла скорости v, то переданная ей энергия F∙s равна 1/2mv2.

Если мы толкаем тело с силой F1, то передаем ему энергию, равную F1∙s. Если же вдобавок на движущееся тело действует противоположная сила F2, то оно отдает энергию F2∙s препятствию движения. В итоге движущееся тело приобретает энергию F1∙s — F2∙s, или (F1 — F2)∙s. Но (F1 — F2) есть результирующая действующих на тело сил F. Так что чистая передача энергии движущемуся телу равна

(F1 — F2)∙s, ИЛИ РЕЗУЛЬТИРУЮЩАЯ СИЛА ∙ s, ИЛИ F∙s,

Результирующая сила F полностью идет на ускорение тела, заставляя его двигаться быстрее и увеличивая его кинетическую энергию. Поэтому работа F∙s показывает, сколько энергии превратилось в энергию движения. Предположим теперь, что, толкая массу М с результирующей силой F на расстоянии s, мы сообщили ей некоторую кинетическую энергию. Тогда передача энергии движущемуся телу будет равна F∙s, а поскольку F — результирующая сила, действующая на массу М, то F = m∙a.

Для такого ускоренного движения воспользуемся соотношением v2 = v20 + 2as, которое приводит к as = 1/2v2 — 1/2v20 («элегантный» вывод этого соотношения дан в приложении I к гл.1):

F∙s = (Ma)∙s = M∙(as),

но

as = 1/2 v2 — 1/2 v20 

Следовательно,

F∙s = 1/2 Mv2 — 1/2 Mv20  =

= (1/2 Mv2 в конце) — (1/2 Mv20  в начале) =

= (Приращение 1/2 Mv2) = Δ (1/2 Mv2 )

Однако F∙s — это переход энергии в энергию движения, так что

ПРИРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ ДВИЖЕНИЯ = ПРИРАЩЕНИЕ (1/2 Mv2 )

Вот почему 1/2 Mv2 мы называем энергией движения, или кинетической энергией.

Итак,

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ = 1/2 Mv2

Когда тело движется со скоростью v0, оно имеет кинетическую энергию 1/2 Mv20. Когда же оно ускорится от скорости v0 до скорости v, то приобретает добавочную кинетическую энергию и будет иметь кинетическую энергию 1/2 Mv2.

Попросту говоря, если масса М ускоряется из состояния покоя до скорости v, она приобретает кинетическую энергию 1/2 Mv2.

Единицы измерения кинетической энергии

Поскольку при выводе выражения для кинетической энергии 1/2 Mv2 мы использовали равенство F = m∙a, то входящая сюда сила F должна выражаться в абсолютных единицах, т. е. в ньютонах; тогда энергия тоже получится в абсолютных единицах, т. е. ньютон∙метр.

Если же М выражается в килограммах, а v — в м/сек, то 1/2 Mv2 выражается в кг∙м2/сек2, или ньютон∙м. Замена очевидного кг∙(м/сек)2 для 1/2 Mv2 на ньютон∙м вполне оправдана, ибо благодаря

F = m∙a

1 ньютон = 1 кг ∙ 1 м/сек2.

Наша единица энергии окажется при этом

1 кг (м/сек)2 = 1 кг (м2/сек2) = 1 кг (м/сек2)∙м = 1 ньютон∙м.

Как и следовало ожидать, кинетическая энергия измеряется в единицах ньютон∙м, или джоулях.

Теплота

Теперь будем говорить о теплоте как о главной форме энергии, стоящей в едином ряду с потенциальной энергией силы тяжести, кинетической энергией и другими механическими формами энергии. Всего лишь век назад ее приняли в полноправные члены «энергетического братства», но, добившись признания, она потянула за собой и другие формы, такие, как химическая энергия и электрическая энергия. Идея сохранения энергии из узкой механической схемы быстро переросла в общий принцип.

Для подсчетов тепловой энергии мы должны предварить рассуждения гл. 29. Пусть теплота — это форма энергии, а 1 Калория = 4200 ньютон∙м, или джоулей. Сама Калория — обломок истории тепловых измерений в прошлом. Система измерения теплоты два века назад базировалась на представлении о том, что теплота сохраняется, никуда не пропадает, а только переходит из одного места в другое. Мы до сих пор пользуемся следующими правилами:

Для измерения количества тепла заставим его нагревать воду и умножим массу воды на приращение температуры.

— Если масса взята в кг, а разность Δ (температур) — в градусах Цельсия, то произведение их будет теплотой в Кал, или ккал.

— Если теплота передается какому-то другому веществу, то сначала массу нужно помножить на повышение температуры, как и для воды, а результат затем помножить на «удельную теплоемкость» вещества.

Чтобы измерить теплоту, выделяемую определенным количеством топлива, необходим специальный прибор для сжигания образца и передачи образовавшегося тепла без заметных потерь воде. Подобным испытаниям были подвергнуты почти, все виды топлива. Взвешенный образец, как правило, вместе со сжатым кислородом помещался в толстую металлическую бомбу, которая погружалась в сосуд с водой. Затем с помощью электричества образец сжигали и измеряли возрастание температуры воды. Вместе с водой нагревалась и бомба со всем ее содержимым; это необходимо было учитывать. В табл. 1 приведены теплотворные способности некоторых видов топлива, одних при быстром, других при более спокойном, но зато более полном «сгорании» (в пищеварительной системе быстрое сгорание дает то же количество тепла).

Теплота и молекулы

Любая удачная попытка передать энергию газу нагревает его, увеличивая (давление)∙(объем). В кинетической теории мы связывали это с увеличением 1/3N∙(mv¯ 2 ), или 3/2 кинетической энергии N хаотически движущихся молекул. Тепловая энергия газа — это просто кинетическая энергия в молекулярном масштабе. Мы считаем, что тоже самое можно сказать как а жидких, так и о твердых телах с той лишь оговоркой, что необходимо учитывать кинетическую энергию вращения молекул и энергию их колебаний.

Представьте себе пулю, которая с огромной скоростью ударяется о препятствие и вследствие трения застревает в нем. В этом случае кинетическая энергия пули передается молекулам окружающего воздуха и дерева, сообщая им дополнительное движение. Огромная кинетическая энергия исчезает, а вместо нее появляется теплота. Если считать, что теплота — это «обобществленная» кинетическая энергия, то богатство, состоящее в огромном количестве упорядоченной кинетической энергии, распределяется среди всех хаотически движущихся молекул — «достойных» и «недостойных». Когда свинцовая пуля попадает в стенку, большая часть ее богатого запаса кинетической энергии превращается в энергию колебаний отдельных атомов свинца и стенки; энергия обученной армии вырождается в беспорядочную толчею толпы.

Химическая энергия

При сгорании порох превращается в горячие газы, которые в свою очередь сообщают пуле кинетическую энергию. Пуля в этом случае набирает упорядоченную кинетическую энергию за счет теплоты горячих газов (их «неорганизованной» кинетической энергии). Откуда же берут тепловую энергию сами молекулы? До этого взрыва порох был холодным твердым телом, содержащим запас «химической энергии». Энергия первичного топлива — угля, дров, нефти — тоже химическая энергия. Это молекулярная энергия, запасенная, если угодно, в силовых полях атомов. Вообразите, что химическое соединение состоит из атомов, которые вопреки «пружинящим» межатомным силам посажены на свои места в молекуле и «защелка закрыта». Потенциальная энергия при этом запасается в «жатых пружинах (фиг. 48).

Фиг. 48. Воображаемая картина молекулы взрывчатки.

У реальной молекулы нет защелки, а вместо нее имеется другая пружина, уравновешивающая сжатую пружину, но с другим законом сил. Однако даже в такой модели процесс горения груб и нереален.

Разумеется, химическая энергия — гораздо более сложная вещь, чем наша модель, но общая картина ясна: атомы и молекулы запасают энергию, которая высвобождается при одних химических изменениях и запасается при других. Большая часть горючих веществ высвобождает свою энергию при горении в кислороде, так что энергия их связана с силовыми полями молекул топлива и кислорода. Трудно указать, где она расположена, но количество ее достаточно определенно, ибо при переходе энергии в другие формы мы можем измерять работу, т. е. получить произведение сила на расстояние, например столько-то джоулей на каждый килограмм полностью сгоревшего топлива. Химическую энергию пороха или заряда фейерверочной ракеты локализовать легче. Вся она сидит там, внутри молекул горючего.

Пища — источник химической энергии

Пища — это топливо для людей и животных, она снабжает их химической энергией, которая переносится потоком крови к нуждающимся в ней мышцам. Мышцы могут преобразовывать часть получаемой энергии в механическую, поднимая грузы и т. п.

Пища содержит в основном атомы углерода, кислорода и водорода. Вот, например, молекула простейшего сахара, глюкозы С 6 Н 12 О 6 :

поддерживающей работу мышц. В процессе работы мышц и их отдыха молекулы этого топлива расщепляются пополам, затем отщепляется шесть молекул Н 2 О, а атомы углерода, соединяясь с атомами кислорода, поступающего из легких, дают шесть молекул СО 2 .

Это вкратце сильно упрощенная картина химии жизни [153] . Основные компоненты пищи — крахмал, сахара, жиры и белки — представляют большие молекулы, которые построены из меньших молекулярных структур, состоящих из атомов. Эти небольшие комплексы синтезируются растениями, связываются ими каким-то способом, образуя растительные вещества, такие, как углеводы и целлюлоза. Животные, поедая растительную или животную пищу, расщепляют эти вещества и перераспределяют их составляющие так, чтобы образовывались нужные большие молекулы. Однако сами животные не синтезируют их частей. Энергию, необходимую для движения и другой деятельности, они получают при дальнейшем расщеплении некоторых молекулярных комплексов на углекислый газ и воду. Эта энергия первоначально была «усвоена» растениями из солнечного света и запасена при синтезировании таких комплексов. Связывание и расщепление этих малых комплексов в пищеварительной системе животного — обычно дело нехитрое и не требует больших затрат энергии, оно быстро совершается микробами или ферментами. Большие молекулы в нашей пище содержатся в углеводах и целлюлозе, которые составлены из множества групп простых молекул сахара наподобие глюкозы, жиров с длинными цепями СН 2 и белков — еще больших по величине и очень сложных молекул, необходимых для строительства и обновления тканей. Процесс, посредством которого химическая энергия превращается в теплоту тела или работу мышц, — в сущности то же горение. При сгорании топлива в пламени происходит соединение его с кислородом с образованием воды и углекислого газа. Простейшее топливо нашего тела, такое, как глюкоза, соединяясь с кислородом, поступающим из легких, также образует воду и углекислый газ, но процесс идет гораздо медленнее и более хитрым путем, нежели простое горение в пламени; температура невелика, а энерговыделение то же самое.

Фиг. 49. Схематическое изображение цикла.

Растения поглощают воду и СО 2 из воздуха, соединяют их и создают сахар, крахмал и целлюлозу — главные источники энергии животных.

Добывание животными горючего для мышц происходит примерно так: из пищи извлекаются простейшие молекулы сахара (точно так же, как и на химическом заводе извлекается спирт из древесной массы), которые запасаются в скоплениях, представляющих собой молекулы нерастворимого «животного» крахмала. Этот запас молекул крахмала расщепляется и по мере надобности поддерживает снабжение мышц сахаром. Когда мышцы сокращаются и производят работу, сахар в две стадии превращается в воду и углекислый газ. Из своей растительной пищи животные еще запасают жиры и «сжигают» их для согревания тела.

Затем то, что растрачивается человеком и животными, вновь воссоздается растениями, и опять все готово к употреблению. Как же растения делают это? Мы не можем «обратить» действие пламени и «возродить» сгоревшие вещества. Как же растения ухитряются проделывать такой «синтез жизни», сжимая пружинки межмолекулярных сил и закрывая защелки? Поскольку «открывание защелки» приводит к выделению химической энергии, растения должны вкладывать ее при создании агрегата. Им необходимо как снабжение энергией, так и устройство, которое использовало бы ее для синтезирования молекул Н 2 О и СО 2 в молекулы сахара и крахмала. Солнечный свет снабжает их энергией — порциями световых волн, так сказать, в «расфасованном по пакетикам» виде, а все операции производятся такими «умными» молекулами растения, как зеленый хлорофилл. На солнечном свету зеленый лист растения поглощает СО 2 и создает крахмал. Таким образом, растительная и животная жизнь образует цикл, который начинается с воды, углекислого газа и солнечного света и заканчивается водой, углекислотой, теплом и механической энергией животных . Все наши машины, работающие на угле, нефти, ветре, падающей воде, все животные, потребляющие пищу, в конечном итоге получают свое топливо от Солнца.

Усталость

Все это вновь приводит нас к вопросу: почему мы устаем, когда просто держим на весу большой груз? По-видимому, потому, что от нас потребовалась затрата энергии, хотя это и не дало заметного прироста потенциальной энергии силы тяжести. Тщательные наблюдения показывают, что поддерживаемый груз не находится в полном покое. Груз колеблется то вверх, то вниз, и наши мышцы беспрестанно расслабляются и сокращаются. Если вы крепко стиснете зубы и закроете глаза, то можете услышать неясный гул такого дрожания мышц. На каждый такой крошечный подъем груза мышцы затрачивают химическую энергию. Но при последующем опускании потенциальная энергия силы тяжести уже не превращается в химическую — ваша топливная машина необратима. Энергия переходит в тепло, которое мы растрачиваем попусту.

Другие формы молекулярной энергии

«Молекулярная энергия» наряду с химической включает энергию, связанную с процессами плавления твердых тел и испарения жидкости. Если твердое тело нагрето до точки плавления, то дальнейшее нагревание требует дополнительной затраты тепла, чтобы перевести молекулы из упорядоченной кристаллической структуры в хаотическую жидкую массу. При испарении жидкости вылетающие быстрые молекулы уносят больше энергии, чем в среднем приходится на каждую молекулу.

Чтобы поддержать кипение или предотвратить охлаждение при испарении, необходимо затратить дополнительное количество тепла. Это дополнительное тепло, затраченное на плавление и испарение, превращается в молекулярном силовом поле в своего рода молекулярную потенциальную энергию. Такое дополнительное количество тепла часто называется скрытым.

Поглощение скрытой теплоты не сопровождается нагреванием вещества — во время плавления и испарения температура остается постоянной. Но при обратном процессе, застывания или конденсации, скрытая теплота выделяется именно как теплота — ожог горячим паром гораздо тяжелее, чем кипятком.

Энергия вращения

Закрутим колесо, прикрепив к нему веревку с грузом. Колесо будет наматывать веревку и поднимать груз, замедляя из-за этого собственное вращение. Ясно, что вращающееся колесо затрачивает энергию на поднятие груза. Эту энергию мы называем энергией вращения.

Отдельные части вращающегося колеса движутся тем быстрее, чем дальше они от оси, и каждая из них обладает кинетической энергией. Если сложить 1/2 mv2 всех маленьких частичек, можно получить полную энергию вращения. На самом деле энергия вращения — обычная кинетическая энергия, часть полной кинетической энергии (если тело одновременно с вращением движется). Но зачастую удобнее дать ей отдельное название.

Фиг. 50 Маховое колесо.

а — энергия вращения махового колеса может превращаться в потенциальную энергию груза, поднимаемого лентой, наматываемой на колесо; б — скорости различных частей махового колеса.

Электрическая энергия

Для работы электрических батарей необходимы особые химические вещества, с которыми в процессе работы батарей происходят химические изменения. Высвобожденная химическая энергия не просто нагревает батареи, а превращается в электрическую энергию тока, который идет по электрической цепи и выделяется либо в виде тепла в электропечи, либо в виде механической энергии мотора, поднимающего грузы, либо даже снова в виде химической энергии при зарядке аккумулятора. Поэтому энергию, текущую из батареи, мы называем электрической.

Электрогенераторы превращают механическую энергию в электрическую, а в электромоторах происходит обратный процесс. Электрическая энергия может накапливаться. Батарея может перенести положительные и отрицательные заряды на пластины конденсатора, который запасает энергию в своем электрическом поле. При разрядке конденсатора (искрой или через проводник) выделяется тепло. Это тепло свидетельствует о том, что в конденсаторе был запас энергии. Если вам нравится, то можете говорить, что запас энергии находился в электрическом поле между пластинами и вокруг них. Более прямая демонстрация перехода показана на фиг.51.

Фиг. 51. Электрическая энергия.

Энергия, запасенная полем между двумя пластинами, может поднимать металлическую стружку.

Кусочек бумаги или металлическая стружка, помещенные менаду парой пластин, заряженных положительно и отрицательно, также собирают на себе небольшой заряд и притягиваются электрическим полем. На верхней пластине заряд стружки становится противоположным и она движется вниз. В процессе движения вверх — вниз она расходует энергию на трение о воздух.

Представьте теперь, что к листку приспособлена маленькая машина, которая работает на энергии, полученной от заряженных пластин и их поля.

Когда по цепи течет электрический ток, мы говорим, что электрическая энергия переносится от батареи или генератора в различные участки цепи, где превращается в теплоту, механическую энергию и т. п. Генератор, вырабатывающий ток, должен потреблять механическую энергию, которая необходима для поддержания его вращения, иначе он вскоре растратит свою энергию вращения и остановится. Чем больший ток посылается в цепь, тем труднее крутить генератор, тем больше требует он механической энергии. Мы говорим, что в паровой машине тепловая энергия превращается в механическую энергию поршня и движущегося ремня. Генератор же превращает ее в электрическую энергию, которая идет по всей цепи, переходит в тепло и т. п. Электрическая энергия — вещь очень полезная, но сказать, где она находится, не так-то просто. Поэтому, когда вас спросят об этом, я думаю, лучше всего ответить — вокруг проводника, в электромагнитном поле, сопровождающем ток.

Магнитная энергия

Постоянные магниты, хотя и обладают запасом энергии, отдают ее весьма неохотно, так что нет нужды как-то специально называть эту энергию. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля. Как только ток выключается, магнитное поле исчезает, «сжимается», и в цепь выделяется значительное количество энергии не из батареи, а из магнитного поля. Это происходит в течение короткого периода времени «замирания» тока. Эту «магнитную» энергию, полученную из химической, вы почувствуете лучше, если во время демонстрации вас немного тряхнет током. На фиг. 52 показан такой эксперимент.

Экспериментатор замыкает цепь, соединяя два стержня, которые он держит в руках. Разводя стержни, он пытается разорвать цепь, но, поскольку при этом продолжает держать их в руках, цепь остается замкнутой через большое сопротивление тела. Когда стержни разведены, ток падает почти до нуля и магнитное поле электромагнита «сжимается», создавая при этом очень высокое напряжение, которое стремится поддерживать ток в цепи. В результате экспериментатор получает удар током.

Фиг. 52. Демонстрация проявления магнитной энергии.

Электромагнитная энергия

Во многих случаях электрическая и магнитная энергии тесно связаны друг с другом; каждую из них можно рассматривать как «оборотную сторону» другой. Переменные токи создаются переменными электрическими полями и образуют вокруг себя переменные магнитные поля. Во время радиопередачи в антенне создаются переменные токи, которые порождают электрические и магнитные поля, обладающие электрической и магнитной энергией, или, как мы предпочитаем говорить, электромагнитной энергией. Но эти поля не просто пульсируют около антенны. Часть их отрывается и улетает в виде электромагнитных волн, которые, двигаясь со скоростью света, уносят с собой электромагнитную энергию (см. гл. 33 и 37).

Таким образом, мы представляем себе радиоволны в виде движущихся полей, переносящих энергию. Когда они достигают принимающей антенны, то наводят в ней слабые переменные токи с электрическими и магнитными полями, которые в конечном итоге превращают большую часть энергии в слабый нагрев проводов приемника.

При поглощении света происходит нагревание, поэтому мы говорим, что, свет тоже переносит энергию. Сейчас нам известно, что и невидимый свет — как инфракрасное излучение, так и ультрафиолетовые лучи — представляет собой потоки электромагнитных волн. Вместе с радиоволнами мы объединяем их под общим названием излучение. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Энергия волн

Океанские волны могут нести огромные энергии. Когда спокойная, ласково лижущая берег гладь превращается в штормовой океан, его волны способны крушить корабли, выбрасывать на берег огромные камни, выплескивать воду в высоко поднятые водоемы, создавая запас потенциальной энергии. Хотя в таких волнах вода и движется, каждая ее частичка не уходит слишком далеко. Она получает свое движение от соседних частиц и передает его следующей частице. Волны представляют примеры сложных и непрерывных взаимных переходов кинетической и потенциальной энергий, каждая из которых передается с характерной волновой скоростью. Источник энергии большинства океанских волн — это ветер, который гонит их. Ветер получает свою энергию от нагретой земли, а первоисточником всего является энергия излучения Солнца.

Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, также переносят энергию. Следующие друг за другом попеременные сжатия и разрежения слоев воздуха образуют звуковые волны и немного изменяют скорости молекул. Чередующиеся изменения кинетической энергии молекул воспринимаются нами как распространяющиеся волны. Эти изменения складываются в небольшой суммарный эффект, который и составляет энергию звуковых волн. Детали изменения энергии звуковых волн довольно сложны, и многое здесь вам придется принять на веру. Если кто-то в помещении громко крикнет, он сообщит воздуху слабое дополнительное движение, распространяющееся со скоростью звука. А когда крик замрет, его энергия превратится в нагревание стен комнаты, которые поглотили звук.

Электромагнитные волны, о которых мы только что говорили, переносят энергию во многом подобно волнам на воде или звуковым волнам. Их энергию называют энергией излучения, или просто излучением.

Кинетическая энергия волн на воде — это энергия движущейся воды, а потенциальная энергия — это энергия гребней, поднявшихся над впадинами. Кинетическая энергия звуковых волн — это упорядоченное движение слоев воздуха взад и вперед. Кроме того, они, эти слои, обладают еще потенциальной энергией, которая сходна с энергией деформации пружины, но на самом деле есть дополнительная кинетическая энергия хаотического движения молекул.

Ядерная энергия

Радиоактивные вещества (как естественные в урановой руде, так и искусственные, приготовленные из стабильных атомов с помощью так называемых ускорителей) беспрестанно выбрасывают ядерные снаряды — составные части атомов, которые летят с довольно значительной скоростью. Эти «снаряды» несут огромное по их масштабам количество кинетической энергии. Согласно сегодняшним представлениям о структуре атома, эти «снаряды» не могут возникнуть во внешних областях атомов — областях, где перестройка электронов обусловливает химическое изменение вещества. Они должны возникать в маленькой массивной сердцевине (ядре) радиоактивных атомов. Поэтому-то мы и думаем, что эта сердцевина несет огромный запас ядерной энергии. Часть этой энергии волей-неволей высвобождается при радиоактивных превращениях, но довольно долго считалось, что она не поддается вмешательству человека. Теперь же мы можем ускорить ее высвобождение, приготовляя нестабильные (радиоактивные) атомы.

В некоторых редких случаях ядра не выбрасывают маленькие снаряды, а сами делятся на две почти равные части. Такой «распад» высвобождает еще больше энергии и, кроме того, дает добавочные нейтроны, которые могут привести к делению соседних ядер, создавая таким образом возможность цепной реакции. Однако делиться способны лишь немногие тяжелые ядра.

С другой стороны, при слиянии (синтезе) нескольких ядер легких атомов, таких, как водород, в одно более массивное ядро выделяется энергия. Но трудность здесь в том, чтобы настолько плотно сжать ядра, чтобы вызвать этот процесс. Синтез ядер, по-видимому, совершенно невозможен при обычных температурах. Но при очень высоких температурах, скажем при звездных температурах, скорости атомов достаточно, чтобы начался термоядерный синтез, при котором выделяется огромное количество энергии, необходимое для поддержания температуры. Доступный управляемый способ достаточно тесного сближения ядер позволил бы получить почти неисчерпаемый источник тепла. Мы уже научились управлять делением, но крайне невероятно, чтобы «топливные» запасы урана позволили нам в течение многих веков заменять уголь и нефть. Однако нам в конце концов, по-видимому, удастся овладеть и управляемой термоядерной реакцией.

Для чего нам нужна энергия

Предваряя экспериментальную проверку нашей веры в сохранение энергии, мы размахнулись на целый список различных ее форм. Мы считаем энергию чем-то весьма нужным, способным работать на нас (скажем, поднимать грузы), тем, что измеряется работой (в кГм, или ньютон∙м) или произведением сила на расстояние при переходе из одной формы в другую или с одного места в другое. Снабжение энергией необходимо для множества полезных дел:

— обогрева тел, домов и очагов, обеспечения передвижения;

— увеличения потенциальной энергии грузов на подъемниках;

— увеличения химической энергии при зарядке аккумуляторов и производстве химических удобрений;

— поддержания кинетической энергии работающих механизмов;

— освещения, приготовления пищи и т. д. и т. п.

Эти примеры применения можно разделить на три общие группы,

а)  Химическая энергия питания . Как правило, она дороже энергии других видов топлива. Пшеница в перерасчете на калории гораздо дороже, чем уголь. Питание дает тепло для поддержания температуры тела, механическую и химическую энергии для его движении, а иногда и механическую энергию наружу о некоторой растратой тепла, когда человек занимается физическим трудом.

б)  Тепло для обогрева жилищ и приготовления пищи . Оно дает человеку возможность жить в различных климатических условиях и употреблять огромное разнообразие пищевых продуктов.

в)  Механическая энергия и тепло для транспорта, промышленности и т. д . Все человечество нуждается в питании для поддержания жизни и в дополнительном питании для выполнения тяжелой физической работы. Современное общество заменяет тяжелый физический труд машинами, которые потребляют другие виды топлива. Оно увеличивает снабжение продуктами питания и расширяет жизненное пространство за рамки узких границ подходящего климата. По грубым данным в мире на душу населения сейчас приходится топлива (в пересчете на энергию) в 8 раз больше того, что обеспечивает питание. (Это отношение сильно меняется от малых величин в некоторых странах, где основную, но небольшую дополнительную энергию дают животные, до значительных цифр в передовых странах, где средняя механическая мощность, приходящаяся на каждого работающего на машинах, в 10–20 раз больше его собственной мощности.)

Несмотря не изыскание все новых источников топлива, потребление его ежегодно растет почти с той же скоростью, с какой растет население.

Таблица 2. Классификация форм энергии

Название  ∙ Обозначение  ∙ Где встречается

∙  Потенциальная энергия силы тяжести (часто называется просто «потенциальная энергия»), или гравитационная потенциальная энергия ∙ ( Е пот) ∙ При поднятии груза происходит возрастание потенциальной энергии, запасенной в поле силы тяжести

∙  Энергия деформации (часто называется «потенциальная энергия») ∙ ( Е деф) ∙ При сгибании, растяжении, закручивании или сжатии пружины или другого упругого предмета последний запасает энергию деформации

∙  Кинетическая энергия  ∙ ( Е кин) ∙ Энергия движения тела. Можно показать, что она равна 1 /2 ( масса ) х ( скорость ) 2

∙  Кинетическая энергия вращения  ∙ ( Е вр) ∙ Каждая часть вращающегося тела движется, следовательно, обладает кинетической энергией. Энергия вращения является суммой этих кинетических энергий

∙  Тепловая энергия (теплота) ∙ ( Е тепл) ∙ Теплота может переходить в кинетическую, потенциальную и другие формы энергии. Сейчас теплота рассматривается как энергия молекулярного движения

∙  Химическая энергия или молекулярная энергия (ее следовало бы называть атомной энергией ) ∙ ( Е хим) ∙ Фейерверки, взрывы, продукты питания и топливо при химических превращениях могут выделять тепло и переходить в другие формы энергии. Мы говорим, что они содержат «химическую энергию»

∙  Молекулярная энергия плавления и нагревания (скрытая теплота) ∙ ( Е скр. тепл) ∙ На плавление и испарение требуется дополнительная теплота. Она не увеличивает температуры, а заключена в межмолекулярных полях

∙  Электрическая энергия; Магнитная энергия ∙ ( Е эл; Е маг) ∙ Электрические цепи, заряженные конденсаторы, электромагниты связаны с электрической и магнитной энергиями

| Электромагнитная энергия ∙ ( Е эл_маг) ∙ Энергия, свойственная тесно связанным, друг с другом электрическим и магнитным полям

|  Энергия электромагнитных волн  ∙ ( Е изл) ∙ В электромагнитных волнах, т. е. движущихся электрических и магнитных полях. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны всех длин волн

| Энергия излучения (включая и световую энергию) ∙ ( Е изл) ∙ Излучение, включая свет и все другие электромагнитные волны

∙  Волновая энергия (включая свет, звук и морские волны) ∙ ( Е волн; Е звук) ∙ Волны переносят энергию (например, звук, свет, морские волны)

∙ Ядерная энергия  ∙ ( Е яд) ∙ Высвобождается при ядерных превращениях: радиоактивности, делении и синтезе ядер

Распределения потребляемой энергии за год в мире приводится в табл. 3 [159] . Величина энергии дается в количестве угля в миллионах тонн, который при сгорании дал бы ту же энергию.

Большинство энергии, потребляемой человеком, превращается в бесполезное тепло. Часть потерь неизбежна. Вот что нам удается извлечь:

Годовое потребление энергии

а)  Питание . Ежегодно на земле 250 МТ идет на питание людей, из коих Около 25 МТ превращается в полезный труд (который можно заменить лошадьми, машинами или моторами).

б)  Полезная теплота, расходуемая на бытовые нужды : 100 МТ.

в)  Теплота и механическая энергия для транспорта и промышленности : 350 МТ (+25 МТ от людей).

Из годовом потребления, составляющего 3000 МТ, используется 700 МТ. Остальное растрачивается в виде теплоты. Но мы едва ли можем похвастаться эффективностью 700/3000, ибо не учли падающее на Землю солнечное излучение, почти полностью переходящее в теплоту, а это свыше 10 000 000 МТ в год.

Возможность получения энергии: кинетическая энергия упорядоченного и хаотического движения

При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать теплоту, т. е. энергию хаотического движения, от энергии упорядоченного движения, известной в технике как свободная энергия. Так, кинетическая энергия летящей пули представляет собой энергию упорядоченного движения — она вся заключена в пуле. Мы называем ее свободной энергией, ибо ее целиком можно превратить в потенциальную энергию; для этого надо просто выстрелить вертикально вверх! Энергия деформации также упорядочена, и мы называем ее тоже свободной энергией, ибо пружина может затратить ее на поднятие груза. Химическая энергия практически вся свободна, как и электрическая энергия и энергия высокотемпературного излучения. Любая из этих форм энергии позволяет использовать всю энергию. Хаотическая энергия тепла имеет один существенный недостаток. На какие бы хитрости мы ни шли, в механическую энергию способна превратиться лишь часть тепловой.

Это происходит из-за того, что даже в лучшей из мыслимых машин для превращения теплоты в механическую энергию некоторая доля теплоты передается холодильнику. Иначе машина не сможет повторить рабочий цикл. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Некий хаос всегда останется. Мысленный эксперимент с идеальной тепловой машиной говорит, что максимальная доля тепла, которую можно использовать, составляет ( Т 1 — Т 2 )/ Т 1 , где  Т 1 — абсолютная температура «нагревателя», или котла, а  Т 2 — абсолютная температура холодильника машины (о смысле абсолютной температуры см. гл. 27 ). Так, пар под высоким давлением с температурой 500° К (227 °C), превращающийся в воду с температурой 300° К (27 °C), может дать к. п. д. не больше (500–300)/500, или 40 %.Такая паровая машина должна выбрасывать, помимо реальных потерь, 60 % своего тепла.

Максимальный к. п. д. равен ( Т 1 — Т 2 )/ Т 1 , или 1 — ( Т 2 / Т 1 ). Так что чем выше  Т 1 (или чем меньше Т 2 ), тем ближе к. п. д. к единице. Чтобы уменьшить затраты, силовые установки стараются делать с возможно большей температурой  Т 1 нагревателя, или котла. Серьезные ограничения возникают из-за масла, которое начиняет гореть, и металла, который начинает плавиться. Температуру же  Т 2 при постоянном подводе тепла нельзя надолго сделать ниже температуры окружающей среды. Практически у нас нет способа непосредственно использовать химическую (или ядерную) энергию. Мы должны сначала превращать ее в теплоту, а уж после этого нам не избежать больших тепловых потерь.

Как это ни парадоксально, но такие же рассуждения, — основанные на мысленных экспериментах, говорят, что когда возникает другая потребность получить теплоту из свободной энергии, т. е. когда мы хотим обогревать квартиру электричеством, мы можем достичь высокой эффективности (к. п. д.).

Используя свободную энергию, мы о помощью небольшой машины можем «перекачивать» теплоту с холодной улицы в теплую комнату. В сущности, такой тепловой помпой может служить вывернутый наизнанку холодильник, морозильное отделение которого помещено вне комнаты. Сейчас этим начинают пользоваться и это обещает дать большую экономию топлива.

Беспорядок, информация, энтропия

Используя солнечный свет, уголь пли гидроресурсы для получения полезной работы типа питания электроламп, привода токарного станка или перекачивания воды на вершину холма и т. д., мы вновь и вновь приходим к теплоте как к почти неизбежному побочному (вследствие трения) и наиболее вероятному конечному продукту. Когда свет лампы поглощается стенами, станок режет металл или вода стекает назад в океан, полученная первоначально из топлива энергия в конце концов целиком превращается в теплоту. А если мы и вначале имели дело с теплотой, то на конечном этапе будет более низкая температура . Она практически не пригодна для дальнейшего использования.

Можно, конечно, придумать и другой конец — позволить свету излучаться в межзвездное пространство, станку закручивать пружину, а воду оставить на вершине холма, но, как правило, конечный продукт все-таки теплота. (Вся энергия от сгорания бензина во всех автомобилях мира за прошлый год перешла в конечном счете в нагревание воздуха и земли.) Такой переход в теплоту с низкой температурой означает увеличение беспорядка в движении молекул. Даже когда теплота сохраняется, например при смешивании горячего и холодного воздуха, беспорядок все равно возрастает: ( группа быстрых молекул в одной области ) + ( группа медленных в другой ) превращается в ( смесь молекул с промежуточным хаотическим движением ). Рассмотрение как простого смешивания горячего и холодного газа, так и общетеоретическое изучение тепловых машин (термодинамики) приводит нас к выводу, что естественной тенденцией является увеличение беспорядка с течением времени . Это придает времени важное свойство — направленность в случае статистических процессов . В простой механике, выраженной в законах Ньютона, время может течь в обоих направлениях. Кинофильм о соударении двух молекул будет выглядеть одинаково правдоподобно, как бы мы ни запустили пленку — с начала или с конца. Но фильм, в котором молекулы горячего газа смешиваются с холодными, выглядит дико, если его запустить с конца. Таким образом, столкновения мириад молекул указывают на направление течения времени в нашем мире. Изобретена физическая мера «беспорядка», названная «энтропией». Говорят, «энтропия Вселенной стремится возрастать». Отсюда возникла мысль о «тепловой смерти» Вселенной [160] , когда все будет находиться при одной и той же низкой температуре и максимальном беспорядке вещества и излучения.

Энтропию можно определить как отношение количества тепла к абсолютной температуре , или как вероятность определенной конфигурации в мире молекул. Дальнейшие детали этого определения и его использования увели бы нас слишком далеко за рамки нашего курса, но понаблюдайте за этим понятием в науке последующего полустолетия. «Будущее принадлежит тем, — сказал Фредерик Кеффер, — кто сможет управлять энтропией… Промышленные революции прошлого затрагивали только потребление энергии, но заводы-автоматы будущего — это революция энтропии».

Молекулы газа в процессе соударений в принципе могли бы рассортироваться на быстрые (горячие) в одной части сосуда и медленные (холодные) — в другой. Это означало бы уменьшение беспорядка в противоположность тому, что предсказывает закон возрастания энтропии. Но такое случайное событие почти невероятно — не невозможно, а просто крайне маловероятно.

Наиболее вероятно беспорядочное расположение и скорости молекул, так что упорядоченное расположение после нескольких соударений с большой вероятностью вновь становится хаотическим. Возникновение порядка очень маловероятно даже на протяжении очень долгого времени. Возникновение порядка крайне маловероятно…, беспорядка — очень вероятно, вот почему энтропию можно определить тремя эквивалентными способами: 1) как меру беспорядка; 2) через теплоту и температуру; 3) через вероятности конфигураций молекул (насколько они статистически вероятны).

Второй закон термодинамики по сути дела гласит: энтропия стремится возрастать. Из-за неизбежных процессов, таких, как потери тепла, трение, неупругие соударения…, она увеличивается. Максимум, на что мы можем надеяться в случае непрерывно работающей совершенной тепловой машины, — это сохранение энтропии постоянной.

Энтропия очень важна для расчетов работы тепловых машин, где мы стремимся использовать все доступное тепло [161] . Она, по-видимому, очень важна и для биологических объектов, для которых господствует одно направление времени.

В последнее время представлением об энтропии воспользовались в «теории информации», которая лежит в основе проектирования систем связи, ЭВМ и т. п. Допустим, что вы ухитрились наблюдать за движением отдельной молекулы газа и можете записать движение каждой из них. За этой детальной информацией вы не разглядите газа как однородной системы, находящейся в состоянии максимального хаоса, а увидите лишь, что движение крайне нерегулярно. Получая информацию, вы уменьшаете энтропию газа . Таким образом, информация, переданная по телефону в виде сообщения или от термометра к термостату, напоминает отрицательную энтропию . Эта аналогия эффективно помогает при кодировании множества одновременных телефонных переговоров, создании усилителей, улучшении качества звукозаписывающих устройств, конструировании автоматов и при изучении нашей собственной нервной системы, языка, памяти, а быть может, и «разума».

Источники энергии

Когда мы ищем источники энергии, то имеем в виду запасы, пригодные для использования, а не какого-то «таинственного кредитора». Нефть, уголь, бензин, горючий газ — все содержит запас химической энергии, которая может быть превращена в теплоту и другие полезные формы при сжигании этих веществ в кислороде. Они образовались из растений, которые росли под солнцем сотни миллионов лет назад. Для роста деревьев и хлеба необходим солнечный свет. Из него черпают свою химическую энергию растения. От Солнца получили свою энергию и водяные колеса и ветряные мельницы, вырабатывающие механическую энергию, которую можно превратить в электричество и другие полезные формы энергии. Ветры возникают при неодинаковой нагреве Земли Солнцем, а вода, отдающая при падении потенциальную энергию силы тяжести, получает ее при испарении озер и океанов под действием солнечного света и ветра. Все энергоснабжение идет от Солнца. Почти все источники энергии создаем для нас солнечное излучение.

Существуют и другие источники, такие, как вулканическое тепло, приливное действие Луны и ядерная энергия, но в настоящее время их использование развито относительно слабо, и только применение ядерной энергии обещает в будущем возрасти. Управляемая реакция деления, топливом для которой служит уран, уже используется для движения подводных лодок и обогрева домов. Имеются интересные установки, которые воспроизводят атомы изотопов, способных к распаду. В будущем мы сможем придумать экономичные методы извлечения урана из бедных руд, что обеспечит человечество энергией на несколько веков. Таким образом, очевидно, что наше ближайшее будущее достаточно обеспечено тремя сортами топлива: солнечным светом, столь необходимым для создания продуктов питания, запасами солнечного света в угле и нефти и ядерной энергией. Угля пока еще очень много. Новые запасы нефти обнаруживаются быстрее, чей иссякают старые, хотя несколько десятилетий назад эксперты твердили, что «нефти хватит, чтобы протянуть только десяток-другой лет». Геологи находят новые залежи урана и тория. Однако при нынешнем росте населения ни один из этих источников не — продержится более нескольких десятков веков. Заглядывая же на тысячу и более лет в будущее, когда человечество «растратит свои старые капиталы», мы понимаем, что поток солнечного излучения способен ограничить рост благосостояния человечества, если, конечно, не осуществятся наши надежды на почти безграничную энергию от синтеза легких элементов.

Можно пофантазировать и относительно источника энергии самого Солнца. По-видимому, это ядерный синтез. Во внутренней топке Солнца атомы водорода, соединяясь, образуют атомы гелия (возможно, в циклическом процессе с участием других промежуточных ядер). Синтез гелия дает достаточно теплоты, чтобы поддерживать за ее счет гигантское излучение. К счастью, запас водорода в Солнце достаточно велик. Если бы Солнце было обычным огненным шаром из раскаленного добела угля с достаточным количеством кислорода, оно бы сгорело дотла за несколько тысяч лет. Как мы покажем позднее, излучение обладает массой, поэтому Солнце должно терять массу со скоростью около 300 000 000 000 тонн в день или более того. Но масса Солнца превышает 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 тонн и его хватит еще надолго.

Примеры вычисления энергии. Вычисление потенциальной энергии

Пользуясь работой, равной произведению сила на расстояние, мы легко можем подсчитать изменение потенциальной энергии. При поднятии груза прирост его потенциальной энергии равен весу, т. е. притяжению Земли, умноженному на высоту подъема. Если тело движется по наклонному пути, мы пользуемся также произведением вес на высоту подъема по вертикали. Земля не тянет груз вбок, так что боковое движение не требует совершения работы.

Если при движении колес по шероховатой дороге или подъеме по лестнице сказывается трение, то какая-то работа совершается и при горизонтальном движении; при этом энергия переходит в нагревание дороги, обода и ботинок. Поскольку эта теплота не запасается и не может быть использована на обратном пути, мы не можем считать ее потенциальной энергией. Поэтому при вычислении полезной потенциальной энергии, того запаса энергии, который можно использовать для движения механизмов, мы не учитываем горизонтального движения (нулевой уровень потенциальной энергии см. стр. 426).

Пример А. Вычисление прироста потенциальной энергии

1. Мешок с зерном весом 20 кГ поднят с пола на высоту 10 м

ПРИРОСТ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ = ВЕС ∙ Δ ВЫСОТЫ = (20 кГ)∙(10) м = 200 кГм

Если мы хотим выразить этот прирост в «хороших» единицах, которыми нужно пользоваться во всех случаях, когда есть движение, то вес также необходимо выражать в таких «хороших» единицах, как ньютон . Таким образом,

ВЕС = ПРИТЯЖЕНИЕ ЗЕМЛЕЙ 20 кГ = (20 кГ)∙(9,8 ньютон/кГ) = (20)∙(9,8) ньютон = 196 ньютон.

ПРИРОСТ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ = ВЕС ∙ Δ ВЫСОТЫ =

= (20)∙(9,8 ньютон)∙(10) м = 1960 ньютон∙м = 1960 дж.

2. Груз массой 20 кг поднят на высоту 10 м по кривому пути при помощи блоков и веревок.

Прирост потенциальной энергии силы тяжести по-прежнему составит (196 ньютон)∙(10 м). Это и есть та потенциальная энергия, которую потерял бы груз, если бы он упал вертикально на пол. Именно она и приобретается при поднятии груза на 10 м независимо от того, насколько груз продвинулся бы вбок. Проверим это на следующем простом примере.

Предположим, что груз втаскивается наверх по наклонной плоскости, причем на пути длиной 50 м он поднимается на высоту 10 м. В этом случае нам известна сила, с которой нужно тащить груз вдоль плоскости без трения. Она задается отношением

СИЛА F / ВЕС W = ВЫСОТА ПОДЪЕМА / ДЛИНА ПЛОСКОСТИ,

F /196 ньютон = 10/50,  F = 196/5 = 39,2 ньютон

Но человек тянет груз с силой 196/5 ньютон вместо полных 196 и должен тащить его 50 м, а не 10 м (или если он стоит на вершине, то должен вытянуть 50 м веревки вместо 10). Следовательно, его затраты энергии, измеряемые произведением силы на расстояние , равны (196/5 ньютон)∙(10 м)=1960 ньютон∙м, т. е. такие же, как и прежде.

При наличии трения человек должен прикладывать большую силу, чем 39,2 ньютон, однако она не имеет ничего общего с приростом потенциальной энергии. Дополнительная сила используется для преодоления трения расходуется на теплоту, не увеличивая причем дополнительная энергия потенциальной энергии груза.

Фиг. 56

3.  Растяжение пружины. В этом случае сила непрерывно возрастает. Нам необходимо брать подходящую среднюю силу. Лучше всего взять натяжение пружины в начале и в конце и усреднить эти значения [164] .

Пусть человек, удерживающий пружину с напряжением 100 ньютон, растянул ее на 2 м, причем напряжение возросло до 500 ньютон, тогда

ПРИРОСТ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПРУЖИНЫ = СРЕДНЯЯ СИЛА ∙ РАССТОЯНИЕ,

= [(100 ньютон + 500 ньютон)/2]∙2 м = 300∙2 ньютон∙м = 600 дж

Замечание о нулевом уровне потенциальной энергии

Прирост потенциальной энергии силы тяжести определяется произведением вес на высоту подъема . Чтобы вычислить полную потенциальную энергию силы тяжести предмета, мы должны знать его «полную высоту», а это, по-видимому, не имеет смысла. От чего отсчитывать эту высоту — от поверхности Земли, от ее центра, а может быть, от стола? Ответ : абсолютного нулевого уровня потенциальной энергии в обычных расчетах нет. К счастью, мы пользуемся только изменением потенциальной энергии, а поэтому можем выбирать любой удобный для нас нулевой уровень. Если мы возьмем на берегу камень и поднимем его на вершину утеса, то в качестве нулевого уровня можно взять уровень морского берега и приписать камню на берегу нулевую потенциальную энергию. Если мы сбросили камень с воздушного шара на Землю, то нулевым уровнем будет поверхность Земли. Если же бросить камень в колодец, то в качестве нулевого уровня лучше выбрать либо дно колодца, либо уровень Земли, и когда камень находится ниже уровня Земли, воспользоваться странной на первый взгляд отрицательной потенциальной энергией. Если мы ставим опыт над лабораторным столом, то в качестве нулевого уровня можно выбирать либо поверхность стола, либо пол. В последнем случае все высоты будут больше, но разность высот останется, конечно, той же самой.

Поднимая предмет все выше и выше, мы, очевидно, сообщаем ему все большую потенциальную энергию. Непосредственно над земной поверхностью каждый килограмм при подъеме на 1 м приобретает 9,8 дж, но когда мы поднимаем его на большую высоту, то должны учитывать изменение силы земного притяжения согласно закону обратных квадратов. На высоте 6000 км килограмм приобретает при подъеме на 1 м в 4 раза меньшую энергию, т. е. 2,45 дж. Из-за уменьшения земного притяжения потенциальная энергия тела на большой высоте возрастает все медленнее и медленнее. Используя закон обратных квадратов и интегральное исчисление [165] , мы найдем, что на очень больших расстояниях (на «бесконечности», если угодно) потенциальная энергия приближается к пределу, который оказывается равным той энергии, которую имеет тело, поднятое на высоту радиуса Земли, при условии, что вес тела остается тем же, что и на поверхности.

Для 1 кг это означает прирост в 9,8 ньютон∙6 400 000 м, или 63 000 000 дж. Если в качестве нулевого уровня принять значение потенциальной энергии на «бесконечности», то каждый килограмм на Землю будет иметь отрицательную потенциальную энергию, равную 63 000 000 дж.

Для обычных лабораторных работ такое число слишком громоздко и бесполезно. Но оно говорит, сколько энергии мы должны сообщить телу, чтобы оторвать его от Земли. Для выбрасывания за «пределы» Земли ракеты или молекулы газа, с тем чтобы они никогда не вернулись назад, мы должны сообщить каждому килограмму более 63 000 000 дж кинетической энергии. Такова плата за потенциальную энергию. В этом суть «второй космической скорости». С какой скоростью должна двигаться масса М кг, чтобы обладать кинетической энергией 63 000 000 дж и заплатить за свое «избавление»?

Отрицательная потенциальная энергия подобного рода встречается и в простейших атомных моделях наподобие модели Бора. В электрическом поле притяжения атома электрон обладает отрицательной потенциальной энергией, если ее отсчитывать от нуля, когда электрон удален от атома «на бесконечность». Если электрон с «внешнего» уровня переходит на «внутренний», электрическое поле теряет часть своего запаса энергии потенциальная энергия уменьшается, величина отрицательной потенциальной энергии становится больше .

Выделенной полем энергии оказывается больше, чем это нужно электрону для увеличения кинетической энергии на «маленькой» орбите, и разницу в энергиях атом испускает в виде излучения.

Пример Б. Расчеты с тепловой энергией

При расчетах превращения тепловой энергии в механическую и т. д. мы должны для обеих форм пользоваться одной и той же единицей измерения. Опыты, описанные в следующей главе, показали, что 1 Кал ~= 4200 дж.

Автомобиль массой 1500 кг проехал 2 км со скоростью 50 км/час и сжег 1 / 5 л бензина.

а) Сколько тепла выделилось при сгорании этого бензина?

б) Какой доле среднего дневного рациона человека с нормальным пищеварением соответствует такое количество энергии (пусть его рацион составляет 3300 Кал в день)?

в) Сделайте грубую оценку замедления автомобиля и оцените полное «сопротивление» вследствие трения дороги и сопротивления воздуха на скорости 50 км/час. Вычислите энергию, необходимую для преодоления этого сопротивления на расстоянии 2 км (т. е. энергию в химической форме, превратившуюся в теплоту дороги и воздуха благодаря движению автомобиля, без учета теплоты, затраченной на прямое нагревание воздуха мотором).

г) Какая доля тепла, выделенного сгоревшим бензином, пошла на энергию, необходимую для движения автомобиля?

Ответы

а) Плотность бензина составляет 0,74 плотности воды, а масса 1 л воды 1 кг. Следовательно, масса 1 л бензина 0,74 кг, а масса 1 / 5 л бензина 0,15 кг.

Тепловыделение = 0,15∙11000 Кал/кГ ~= 1600 Кал

б) Эта энергия составляет 1600/3300 энергии среднего дневного рациона питания, т. е. примерно 1 / 2 , так что 2 км езды на автомобиле берут из мирового запаса энергии столько же, сколько хороший обед .

в) Чтобы вычислить произведение сила на расстояние для перехода энергии при движении, нам нужно оценить силу F . Вот запись реального опыта с машиной. Автомобиль ехал по гладкой горизонтальной дороге. Когда скорость была немногим более 60 км/час, рычаг скоростей был переведен в нейтральное положение и автомобиль катил по дороге, замедляясь под действием сопротивления воздуха и трения о дорогу. На замедление от 60 до 40 км/час ушло 10 сек. (В этом эксперименте надо определить полное сопротивление при скорости около 50 км/час.) Затем эксперимент повторялся, но при движении в обратном направлении, чтобы усреднить действие ветра и наклона дороги. Время менялось от 10 до 14 сек и в большинстве случаев было между 12 и 13 сек. Замедление составляло

(20 км/час)/12,5 сек, или (5,6 м/сек)/12,5 сек, или 0,44 м/сек 2

Замедляющая сила = 1500 кг ∙ 0,44 м/сек 2  =

= 660 ньютон, или 660 ньютон: 9,8 ньютон/кГ ~= 68 кГ

На преодоление этого сопротивления на расстоянии 2 км расход энергия (на нагрев воздуха, дороги, шин и осей автомобиля) равен

F ∙ s , или 660 ньютон∙2000 м ~= 1,3∙10 6 дж.

г) Чтобы сравнить это с теплотой, выделенной бензином, мы должны выразить оба количества энергии в одних и тех же единицах:

Теплота, выделенная бензином = 1600 Кал = 1600 Кал∙4200 дж/Кал = 6,7∙10 6 дж.

Следовательно, из 6,7 млн. дж, выделенных бензином, на «полезное» продвижение затрачено только 1,3 млн. К.п.д. = 1,3/6,7 ~= 20 %, что довольно хорошо для двигателя, работающего на бензине.

Пример В. Вычисления с использованием кинетической энергии, равной  1 / 2 mv 2

(Не забудьте, что выражение для кинетической энергии выводилось из F = ma , поэтому она всегда выражается в абсолютных единицах — джоулях, а не в килограммометрах. Следовательно, силу в выражении F ∙ s при вычислении кинетической энергии мы тоже должны выражать в абсолютных единицах.)

Ружейная пуля массой 0,002 кг вылетает из ствола длиной 0,8 м со скоростью 400 м/сек.

а) Какова ее кинетическая энергия?

б) Какова сила [166] , разогнавшая ее из состояния покоя до этой скорости?

Ответы

а)  Энергия пули =  1 / 2 mv 2 , или  1 / 2 ∙0,002∙(400) 2 кг∙м 2 /сек 2 = 0,001∙160 000 = 160 ньютон∙м, или дж.

б) Эта энергия образовалась из тепловой энергии газов при взрыве.

Работа , описывающая этот переход, равна F ∙ s , или ( F ньютон)∙(0,80 м).

Итак, E кин = 160 ньютон∙м = ( F )∙(0,80) ньютон∙м при условии, что сила F полностью затрачена на ускорение пули, увеличение ее кинетической энергии

СИЛА F = 160/0,80 = 200 ньютон ~= 20 кГ

Довольно большое усилие для маленькой пули!

Пример Г. Иллюстрация закона сохранения энергии

(Попробуйте решить задачу самостоятельно, а потом, если нужно, заглянуть в ответ.)

Человек втаскивает на вершину обрыва высотой 40 м камень массой 2 кг.

а) Каков прирост потенциальной энергии камня?

б) Камень сбрасывается вниз. Сколько у него осталось потенциальной энергии после того, как он пролетел 10 м? Каков прирост кинетической энергии? Попытайтесь сложить потенциальную и кинетическую энергии.

в) Сколько у камня осталось потенциальной энергии из первоначального запаса после того, как он пролетел все 40 м? Какова его кинетическая энергия перед приземлением?

г) Опишите изменение потенциальной и кинетической энергий, а также суммы этих энергий в процессе падения камня.

Ответы

а) Прирост потенциальной энергии равен

Вес ∙ Высота  = (2 кГ∙9,8 ньютон/кг)∙40 м = (19,6 ньютон)∙(40 м) = 784 ньютон∙м, или 784 дж.

б) Пролетев 10 м, камень оказался на высоте 30 м над землей, а его оставшаяся потенциальная энергия равна

(19,6 ньютон)·(30 м), или 588 дж.

Чтобы вычислить кинетическую энергию, необходимо знать скорость камня v .

Сначала [167] из s = v 0 t + 1 / 2 at 2 найдем t :

а = 9,8 м/сек 2 ,  s = 10 м, v 0 = 0, t =?

s = v 0 t + 1 / 2 at 2 , 10 = 0 + ( 1 / 2 )∙(9,8)∙ t 2 ,

t 2  = 10/4,9 = 100/49,

t  = 10/7 сек

Теперь v = v 0 + at = 0 + (9,8)∙(10/7) = 14 м/сек;

В сумме обе энергии дают = 196 + 588 дж = 784 дж.

в) Пролетев 40 м, камень потерял всю потенциальную энергию. Падая 20 / 7 сек, он приобрел скорость 28 м/сек;

Кинетическая энергия = ( 1 / 2 )∙(2 кГ)∙(28 2  м 2 /сек 2 ), или 784 дж.

В сумме обе энергии дают: 784 дж + 0 = 784 дж.

г)  Общее описание изменения энергии . Когда камень падает из состояния покоя с высоты 40 м над землей, то он начинает движение с запасом потенциальной энергии 784 дж (полученной им от человека из его запаса химической энергии) и нулевой кинетической энергии. По мере падения его потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая возрастает, но сумма обеих энергий остается на всех стадиях одной и той же, т. е. 784 дж. Непосредственно перед приземлением камень исчерпывает свою потенциальную энергию, но зато его кинетическая энергия становится максимальной, т. е. 784 дж. Когда камень ударяется о землю, его кинетическая энергия исчезает, превращаясь в теплоту (около 1 / 5 Кал), которая нагревает камень, землю и воздух.

Эта задача — простой, частный пример закона сохранения энергии. Восхитительный закон природы? Едва ли, просто мы так выбрали выражение 1 / 2 Mv 2 для кинетической энергии, чтобы оно было равно F ∙ s , а так как мы используем то же самое выражение  F ∙ s для характеристики изменения потенциальной энергии, то следует ожидать, что сумма обеих энергий будет оставаться постоянной как следствие нашего выбора.

Если какая-то часть движения падающего камня расходуется на трение о воздух, то сумма энергий не будет постоянной. Кинетическая энергия будет расти медленнее, так как трение требует своей доли. Поэтому без учета теплоты (и энергии воздушных токов), идущей на нагревание воздуха из-за трения, мы не получим закона сохранения энергии.

В пункте (б) мы выбрали некрасивый способ вычисления v ; сначала из формулы s = v 0 t + 1 / 2 at 2 нашли время, затем из v = v 0 + at определили скорость. Все это делалось для того, чтобы избежать незнакомой нам формулы v 2 = v 2 0 + 2 as . А если мы воспользуемся ею, то мгновенно получим

v 2 = 0 2 + 2∙9,8∙10 = 196 м 2 /сек 2 ,

v = √196 = 14 м/сек.

Кроме того, ясно, что эта формула немедленно дает сохранение энергии, ибо из нее и было получено  1 / 2 Mv 2 .

Более общая алгебраическая форма записи . Предположим, что камень массой m начинает падать с начальной скоростью v 0 с высоты h 0 . К моменту, когда его высота станет h 1 , он пройдет расстояние ( h 0 — h 1 ) с ускорением g , направленным вниз, так что его скорость их будет определяться выражением

v 2 1 = v 2 0 + 2 g ∙( h 0 — h 1 )

Поэтому сумма кинетической и потенциальной энергий равна

1 / 2 mv 2 1  + mgh 1 = 1 / 2 ∙ m ∙[ v 2 0 + 2 g ∙( h 0 — h 1 )] +  mgh 1 =

= 1 / 2 mv 2 0  + mgh 0 — mgh 1 + mgh 1 =

= 1 / 2 mv 2 0  + mgh 0

т. е. первоначальной сумме кинетической и потенциальной энергий. Следовательно, на любой высоте h 1 полная энергия та же, что и на первоначальной высоте h 0 .

Пример Д. Теплота и кинетическая энергия

Свинцовая пуля массой 0,006 кг, летящая со скоростью 400 м/сек, ударяет в стальную стенку и останавливается. Подсчитайте, насколько возрастет ее температура. Удельная теплоемкость свинца составляет 0,03, а 1 Кал = 4200 дж.

Примечание . Удельная теплоемкость 0,03 означает, что свинец требует в 0,03 раза больше тепла, чем та же масса воды при нагревании на одну и ту же температуру (см. гл. 27 ). Для нагревания воды массы М на Δ Т ° С требуется М ∙Δ Т Кал. А в случае свинца потребуется теплоты в 0,03 раза больше, или  М ∙Δ Т ∙(0,03) Кал

Предположим, что вся кинетическая энергия пули превратится в теплоту

1 / 2 mv 2 =  1 / 2 ∙(0,006)∙(400 2 ) = (0,006)∙80 000 дж.

Если повышение температуры (Δ Т ) равно Δ Т ° С, то поглощенное свинцом количество тепла равно

(МАССА)∙(ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ)∙(УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ) =

= (0,006)∙(Δ Т )∙(0,03) Кал =

= (0,006)∙(Δ Т )∙(0,03)∙(4200) дж

Если вся кинетическая энергия переходит в теплоту и если вся теплота остается в свинце, то (0,006)∙(80 000) дж должны быть равны (0,006)∙(Δ Т )∙(0,03)∙(4200) дж. Сокращая на массу пули, 0,006 (кстати, почему она должна сократиться?) и разрешая относительно Δ Т , получаем

Δ Т =  80 000/(0,03)∙(4200) = 635 °C

Как и многие ответы к задачам в учебниках, и этот ответ далек от реальности, ибо такое повышение температуры привело бы к плавлению свинца, а в реальном соударении часть теплоты передается стенке.

Замкнутые системы

Любые законы сохранения энергии, импульса, воды, денег… должны иметь дело с «замкнутой системой». Мы проводим вокруг рассматриваемой области мысленную границу, и должны быть уверены, что ни одна из сохраняющихся величин не пересекает этой границы. Тогда, утверждая, что нечто сохраняется, мы имеем в виду, что в пределах этой границы оно не может быть ни создано, ни уничтожено (не считая равных количеств положительного и отрицательного) и возможен лишь обмен. Доведенное до предела, это требование вынуждает нас в качестве замкнутой системы брать всю Вселенную, но в большинстве случаев даже небольшая совокупность тел или частиц оказывается практически замкнутой системой.

Вряд ли можно доказать закон сохранения денег для отдельного человека или для отдельного города. В каждом из этих случаев система не замкнута: деньги постоянно обращаются — текут то туда, то сюда. Однако можно обнаружить «закон сохранения денег» на небольшом острове. Требование замкнутости кажется достаточно очевидным, забыв о нем, можно прийти к парадоксам. Стреляющее ружье не составляет замкнутой системы ни с точки зрения количества движения (импульса), ни с точки зрения энергии — и то, и другое возрастает. Но если ружье поставить на колеса, то ружье + пуля + газы образует практически замкнутую систему в отношении количества движения: все они получают равные, но противоположные количества движения, а полное количество движения системы остается неизменным. Для энергии нам нужно взять ружье + порох  + пулю ; только тогда можно рассчитывать на ее сохранение.

Сохранение механической энергии: Е пот +  Е кин = const

Предположим, что у нас есть замкнутая система с точки зрения энергии, т. е. таких сил, которые бы вносили и уносили энергию через границу, нет. Результирующая сил, действующих на систему извне, должна быть равна нулю. Все внутренние силы должны распадаться на пары: F1 и — F1, F2 и — F2 и т. д. (третий закон Ньютона). Разлагая силы на подходящие компоненты и умножая их на пройденное расстояние, мы можем для любых изменений внутри системы вычислить передачу энергии. Для этого требуется досконально изучить геометрию системы и понимать, что силы — это векторы и действуют они независимо друг от друга. Здесь мы не будем вдаваться в подробности, но если все силы подобны упругим или силе тяжести, то они приведут к равным, противоположным переходам между различными сортами кинетической и потенциальной энергий. Рассуждения, однако, становятся несправедливыми, если встречаются силы, подобные трению, которые противятся всякому скольжению (т. е. не похожи на пружину, которая противится движению в одну сторону и помогает в другую). Если вы тащите камень без трения вверх по склону из точки А в точку В, то прирост потенциальной энергии будет одинаков для прямого пути из А в В в для окольного. Но на шероховатом склоне чем длиннее путь, тем больше энергии переходит в теплоту. Таким образом, существенная особенность, позволяющая утверждать, что сумма потенциальной и кинетической энергий постоянна, состоит в следующем:

Потенциальная энергия зависит только от положения концов пружины, тела в поле сипы тяжести и т. п. Изменение потенциальной энергии не зависит от выбранного пути.

Кинетическая энергия зависит только от скорости, но не от пути или времени, требуемого для ее достижения.

Мощное средство

Постоянство суммы кинетической и потенциальной энергий избавляет нас от многих вычислений. Для «консервативных систем», у которых отсутствует трение, на некоторые вопросы можно ответить, не вычисляя внутренние силы. Например, маятник длиной 5 м с гирей массой 4 кг отклонили на 4 м по горизонтали и отпустили. Какова будет скорость гири в низшей точке?

Фиг. 59.

Маятник напоминает тело, скатывающееся по наклонной плоскости с переменным наклоном. Ускоряющая сила постоянно изменяется, и чтобы получить ответ сложением всех приращений скорости, пришлось бы немало потрудиться. Однако сохранение энергии позволяет найти его очень быстро:

(КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ + ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ в начальной точке) = (КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ + ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ в низшей точке) = 0 + (4 кГ)∙(9,8 ньютон/кГ)∙(2 м) = 1/2∙(4 кГ)∙(скорость)2 + 0,

т. е.

v2 = 39,2, а v = 6,26 м/сек.

Этот метод применим для любых путей — прямых, кривых, даже вверх и вниз, но при условии, что можно пренебречь трением. Так что теперь мы можем избавиться от правила Галилея для движения по наклонной плоскости (к которому мы обращались на ранней стадии). Масса М скатывается без трения из состояния покоя по наклонной плоскости высотой h и длиной L. Изменение потенциальной энергии равно Mgh, а увеличение кинетической энергии равно 1/2Mv2. Поверив в закон сохранения, мы говорим: поскольку 1/2 Mv2 = Mgh, то v2 = 2gh. Это дает конечную скорость = √(2gh).

Масса здесь сократилась — все массы движутся одинаково. Кроме того, вошла только высота h и нет никакого признака L, т. е. конечная скорость будет одной и той же при любом наклоне и одинаковой высоте.

Благосостояние и счастье человечества

Продукты питания снабжают нас химической энергией, которая, переходя в другие формы, согревает нас, поддерживает жизнедеятельность нашего организма и выполняет механическую работу (ходьба, поднятие грузов). Таким образом, вся наша энергия поставляется пищей или внутренними резервами (какой-то частью жировых запасов). Если вы поверили в закон сохранения энергии, то должны согласиться, что третьего выхода нет: либо нам надо потреблять достаточное количество пищи (и усваивать ее), либо «сжигать» собственный жир. Человек не может выполнить ни добавочной работы без дополнительного питания, ни нормальной работы на пониженном рационе, если он не воспользуется собственными запасами жира, которые в конечном счете тоже накопились благодаря питанию. Соединяясь с кислородом, топливо-пища превращается в углекислый газ и воду. При «сжигании» пищи до углекислого газа и воды освобождается определенное количество химической энергии независимо от характера промежуточных процессов. Если бы это было не так, мы могли бы опровергнуть закон сохранения энергии, т. е. создали бы себе пищу с помощью одного процесса и потребляли бы ее в другом, который высвобождал бы больше энергии! Так что энергосодержание пищи можно измерить сжиганием ее образцов в лаборатории. Поэтому мы можем вычислить калорийность не только собственного рациона, но и рациона всего человечества. По выдыханию СО 2 мы можем определить количество топлива, сжигаемого при различного рода деятельности: ходьбе, ночном сне, игре в футбол, работе в мастерской и 3-часовом пыхтении на экзамене по математике. Тем самым мы можем определить «цену» жизни. Подобные испытания проводятся с помощью маски, надеваемой на лицо испытуемого; эта маска собирает выдыхаемый воздух за короткий период времени, газометром измеряется объем выдыхаемого воздуха, и анализ образца дает количество кислорода, которое заменилось на СО 2 . Эти химические изменения за целый день дают нам полное количество пищи, «сожженное» испытуемым за время рабочего дня. Минимальный жизненный уровень, при котором поддерживается работа сердца, легких, минимум пищеварения, требует определенного количества энергии. Этот минимум энергии называется основным обменом веществ.

В холодную погоду на нагревание тела требуется несколько больше энергии. Ходьба и другая умеренная деятельность предъявляют дополнительные требования, а усиленные упражнения требуют еще больше. При тяжелой физической работе мы должны потреблять гораздо большее количество пищи, чем это необходимо для самой работы, ибо к.п.д. нашего тела составляет только около 25 %, а остальные 75 % тратятся на теплоту.

Минимальный жизненный уровень здорового человека составляет около 2000 Кал в день; плавание или футбол требуют дополнительно 500 Кал в час, а для 8 часов тяжелой физической работы требуется еще 2000 Кал в день. Так что грузчику нужно вдвое больше питания, чем бездельнику, хотя последний имеет то же телосложение; следовательно, и есть грузчик должен вдвое больше. Но, с другой стороны, студенту, усиленно изучающему математику, нужно столько же питания, сколько и тогда, когда он бьет баклуши. Умственный труд требует очень небольших немедленных затрат — ум искусен, во, по-видимому, не жаден. Возможно, оп предъявляет свои счета позднее.

Всем нам, если мы не сидим в тюрьме, не лежим в постели, обленившись до крайности, необходимо дополнительное питание сверх минимального уровня. Истощенный человек с недостаточным рационом не может «вершить дела». Либо он должен жить спокойной жизнью и даже лежать в постели, либо он постепенно будет «съедать» самого себя.

Именно пища ставит предел росту численности населения планеты. В мире, как целом, всегда были большие группы людей, находящихся на грани истощения. Каждый раз, когда создавались машины, облегчающие добывание продуктов питания или другую работу, население возрастало до нового уровня, определяемого количеством продуктов питания и топлива. В настоящее время количество продуктов питания и топлива регулирует жизнь и определяет благосостояние планеты, хотя в будущем бóльшую угрозу может представлять нехватка пресной воды. И если когда-нибудь удастся достигнуть обильного снабжения как сельского хозяйства, так и промышленности дешевой термоядерной энергией, то жить станет веселее.

Масса, материя и энергия; Е = mc 2

Часто приходится слышать утверждение, что «масса и энергия одно и то же», или же такие суждения, будто выражение Е = mc2 объясняет атомную бомбу. Сейчас, когда вы получили только первое представление об энергии и ее поведении, было бы поистине неразумно сбивать вас с толку такими утверждениями, как «масса равна энергии». Во всяком случае, такой способ трактовки великого открытия не из лучших. По-видимому, это всего лишь острословие молодых реформистов, «галилеев нового времени». На деле же предсказание теории, которое проверено многими экспериментами, говорит лишь о том, что энергия имеет массу.

Сейчас мы разъясним современную точку зрения и дадим небольшой обзор истории ее развития. Когда энергия любого материального тела возрастает, его масса увеличивается и мы приписываем эту дополнительную массу приросту энергии. Например, при поглощении излучения поглотитель становится горячее и его масса возрастает. Однако возрастание настолько мало, что остается за пределами точности измерений в обычных опытах. Напротив, если вещество испускает излучение, то оно теряет капельку своей массы, которая уносится излучением. Возникает более широкий вопрос: не обусловлена ли вся масса вещества энергией, т. е. не заключен ли во всем веществе громадный запас энергии? Много лет назад радиоактивные превращения на это ответили положительно. При распаде радиоактивного атома выделяется огромное количество энергии (в основном в виде кинетической энергии), а малая часть массы атома исчезает. Об этом ясно говорят измерения. Таким образом энергия уносит с собой массу, уменьшая тем самым массу вещества.

Следовательно, часть массы вещества взаимозаменяема массой излучения, кинетической энергией и т. п. Вот почему мы говорим: «энергия и вещество способны частично к взаимным превращениям». Более того, мы теперь можем создавать частицы вещества, которые обладают массой и способны полностью превращаться в излучение, также имеющее массу. Энергия этого излучения может перейти в другие формы, передав им свою массу. И наоборот, излучение способно превращаться в частицы вещества. Так что вместо «энергия обладает массой» мы можем сказать «частицы вещества и излучение взаимопревращаемы, а потому способны к взаимным превращениям с другими формами энергии». В этом и состоит создание и уничтожение вещества. Такие разрушительные события не могут происходить в царстве обычной физики, химии и техники, их следует искать либо в микроскопических, но активных процессах, изучаемых ядерной физикой, либо в высокотемпературном горниле атомных бомб, на Солнце и звездах (ем. гл. 43 и 44). Однако было бы неразумно утверждать, что «энергия — это масса». Мы говорим — «энергия, как и вещество, имеет массу». Но масса порции энергии дается выражением

m = (энергия)/(скорость света)2.

Обозначая скорость света стандартным значком с, имеем m = Е/с2, или после перестановки Е = mc2.

Для вещества Е = mc2. Мы говорим, что масса обычного вещества таит в себе огромный запас внутренней энергии, равной произведению массы на (скорость света)2. Но эта энергия заключена в массе и не может быть высвобождена без исчезновения хотя бы части ее.

Как возникла столь удивительная идея и почему она не была открыта раньше? Ее предлагали и раньше — эксперимент и теория в разных видах, — но вплоть до нашего века изменение энергии не наблюдали, ибо в обычных экспериментах оно соответствует невероятно малому изменению массы. Однако сейчас мы уверены, что летящая пуля благодаря своей кинетической энергии имеет дополнительную массу. Даже при скорости 5000 м/сек пуля, которая в покое весила ровно 1 г, будет иметь полную массу 1,00000000001 г. Раскаленная добела платина массой 1 кг всего прибавит 0,000000000004 кг и практически ни одно взвешивание не сможет зарегистрировать эти изменения. Только когда из атомного ядра высвобождаются огромные запасы энергии или когда атомные «снаряды» разгоняются до скорости, близкой к скорости света, масса энергии становится заметной.

Обычная кинетическая энергия дает заметный вклад в массу очень быстрых протонов, получаемых на циклотронах, и это создает трудности при работе с такими машинами.

Почему мы все же верим, что Е = mc 2 ?

Откуда взялось соотношение Е = mc2? Почему же мы думаем, что энергия Е имеет массу E/с2? Сейчас мы воспринимаем это как прямое следствие теории относительности, но первые подозрения возникли еще сто лет назад в связи со свойствами излучения.

Тогда казалось вероятным, что излучение обладает массой. А поскольку излучение переносит, как на крыльях, со скоростью с энергию, точнее, само есть энергия, то появился пример массы, принадлежащей чему-то «невещественному». Экспериментальные законы электромагнетизма предсказывали, что электромагнитные волны должны обладать «массой», равной (энергия)/с2. Но до создания теории относительности только необузданная фантазия могла распространить соотношение m = Е/с2 на другие формы энергии (см. гл. 31).

1) Указание о существовании соотношения Е = mc 2 для излучения

Всем сортам электромагнитного излучения (радиоволнам, инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому свету и т. д) свойственны некоторые общие черты: все они распространяются в пустоте с одинаковой скоростью с , все переносят энергию и импульс. Мы представляем себе свет и другое излучение в виде волн, распространяющихся с большой, но определенной скоростью с =3∙10 8 м/сек. Когда свет падает на поглощающую поверхность, возникает теплота, показывающая, что поток света несет энергию. Эта энергия должна распространяться вместе с потоком с той же скоростью света. На деле скорость света именно так и измеряется: до времени пролета порцией световой энергия большого расстояния [171] .

При отражении света от зеркала теплота не выделяется, ибо отраженный луч уносит всю энергию, но на зеркало действует давление, подобное давлению упругих шариков или молекул. Если же вместо зеркала свет попадает на черную поглощающую поверхность, давление становится вдвое меньше. Это свидетельствует о том, что луч несет количество движения, поворачиваемое зеркалом. Следовательно, свет ведет себя так, как если бы у него была масса. Но можно ли откуда-то еще узнать, что нечто обладает массой? Существует ли масса по своему собственному праву, как, например, длина, зеленый цвет или вода? Или это искусственное понятие, определяемое поведением наподобие Скромности? Масса, на самом деле, известна нам в трех проявлениях:

A. Туманное утверждение, характеризующее количество «вещества».

(Масса с этой точки зрения присуща веществу — сущности, которую мы можем увидеть, потрогать, толкнуть.)

Б . Определенные утверждения типа F ∙Δ t = Δ( Mv ) и Е кин = 1 / 2 Mv 2 .

B . Масса сохраняется.

Если мы отбросим неясное утверждение и отложим пока сохранение, то остается определить массу через количество движения и энергию. Тогда любая движущаяся вещь с количеством движения и энергией должна иметь «массу». Ее массой должно быть ( количество движения )/( скорость ), или 2∙( Е кин )/( скорость ) 2 .

Массу излучения нетрудно найти из оказываемого им давления при помощи следующих вычислений.

Давление солнечного луча на зеркало очень мало, но его можно измерить с помощью чувствительной «световой мельницы» в вакууме, а плотность энергии измеряется по нагреванию небольшого черного поглотителя. Измерения показывают:

[ДАВЛЕНИЕ СВЕТА на отражающее его зеркало] = [Удвоенная ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ, равная (ЭНЕРГИЯ ПУЧКА)/(ЕГО ОБЪЕМ)]

Это согласуется с выводами законов электромагнетизма. Попробуем теперь получить давление из расчетов кинетической теории.

Пусть пучок света протяженностью а (фиг. 60) падает перпендикулярно на кусочек зеркала сечением b x d и отражается им Представим себе, что свет — это N упругих шариков массой m , летящих со скоростью с . Тогда время, необходимое для того, чтобы весь пучок попал на зеркало, будет а / с .

Фиг. 60. Радиационное давление.

Полное изменение количества движения равно N ∙2 mc , т. е.

СИЛА = ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ / ВРЕМЯ =

= N ∙2 mc /( a / c ) = 2∙ N ∙ mc 2 / a ,

или [172]

ДАВЛЕНИЕ = СИЛА/ bd = 2 Nmc 2 / abd = 2 mc 2 /ОБЪЕМ

Сравним это с экспериментом. Тогда

2∙(ЭНЕРГИЯ)/ОБЪЕМ = 2∙ Мс 2 /ОБЪЕМ

т. е. энергия пучка света равна Mс 2 , или M = E / с 2 .

Таким образом, излучение, подобно потоку шариков, обладает массой, равной E / с 2 . Это не строгое доказательство, а некое возможное истолкование экспериментальных следствий. Гораздо лучший вывод дан в конце гл. 31 .

Формула E = mc 2 напоминает выражение E = 1 / 2 Mv 2 . Поскольку мы имеем дело с излучением, то v должно замениться на с . Но куда делась 1 / 2 ? Причина в том, что формула  1 / 2 Mv 2 дает неточное выражение для кинетической энергии. Оно справедливо для обычных скоростей, а для больших скоростей, близких к с , теория относительности дает другое выражение, о котором будет сказано в следующем разделе [173] .

Излучение имеет массу Е / с 2 ? При испускании излучения источник испытывает отдачу и мы заключаем, что он теряет массу Е / с 2 . При поглощении излучения приемник должен приобретать дополнительную массу Е / с 2 . Так что к излучению и его взаимодействию с веществом применим закон Е = М ∙ с 2 . А можно ли его обобщить и всем формам энергии приписать массу Е / с 2 ? Теория относительности отвечает утвердительно.

2) Теория относительности

Стремление увязать воедино серию экспериментальных парадоксов, касающихся абсолютного пространства и времени, породило теорию относительности. Два сорта экспериментов со светом давали противоречивые результаты, а опыты с электричеством еще больше обострили этот конфликт. Тогда Эйнштейн предложил изменить простые геометрические правила сложения векторов. Это изменение и составляет сущность его «специальной теории относительности». Более детальному обсуждению ее посвящена гл. 31 . Теперь же мы примем эйнштейновскую схему обращения с длинами, временем, скоростями и другими векторами. После этого конфликты исчезнут, а экспериментальные результаты и общие законы уложатся в единую схему.

Для малых скоростей (от медлительной улитки до быстрейшей из ракет) новая теория согласуется со старой: кинетическая энергия равна  1 / 2 Mv 2 , а вещество сохраняет постоянную массу независимо от того, движется оно или нет. При высоких скоростях, сравнимых со скоростью света, наше измерение длин или времени модифицируется движением тела относительно наблюдателя, в частности масса тела становится тем больше, чем быстрее оно движется. Эйнштейн показал, что для тела, движущегося мимо нас со скоростью v , вместо правила m = const , нужно пользоваться формулой m = ( постоянная )/√(1 — ( v 2 / c 2 )), где с — скорость света.

Входящую сюда постоянную мы называем «массой покоя» тела, m 0 . После этого эйнштейновская формула принимает вид m = m 0 /√(1 — ( v 2 / c 2 )). Теория электричества уже использовала этот закон для «массы» движущихся электрических зарядов, а эксперименты с электронами высоких скоростей подтвердили его. Затем теория относительности провозгласила, что это увеличение массы носит совершенно общий характер. При обычных скоростях никаких изменений нет и только при скорости 100 000 000 км/час масса возрастает на 1 %. Однако для электронов и протонов, вылетающих из радиоактивных атомов или современных ускорителей, оно достигает 10, 100, 1000 %…. Опыты с такими высокоэнергетическими частицами великолепно подтверждают соотношение между массой и скоростью.

Любая обычная скорость настолько мала по сравнению с с , что отношение v / c будет очень мало, а v 2 / c 2 — и того меньше. Следовательно, √(1 — ( v 2 / c 2 )) практически равно единице. При малых скоростях масса оказывается постоянной, m = m 0 /1.

Затем, приняв ньютоновское определение силы F = Δ( mv )/Δ t и измеряя работу произведением F ∙Δ s , Эйнштейн показал, что кинетическая энергия любого движущегося тела равна ( m — m 0 )∙ с 2 . Поскольку ( m — m 0 ) — это приращение массы вследствие движения, то E кин = ( приращение массы )∙ с 2 . Это и есть соотношение Е = mc 2 для кинетической энергии и ее массы . Добавляя сюда постоянный запас энергии, заключенный в массе, m 0 с 2 , Эйнштейн нашел, что

ПОЛНАЯ ЭНЕРГИЯ = ( m  — m 0 )∙ с 2 +  m 0 с 2 = mс 2 .

(Более детально эти вопросы будут обсуждаться в гл. 31 , но даже там мы не дадим вывода, ибо он требует высшей математики.)

Формула E кин = ( m  — m 0 )∙ с 2 выглядит совсем по-другому, чем  E кин = 1 / 2 mv 2 . Они действительно отличаются, как и должно быть. Но посмотрите на эту величину при малых скоростях. Предположим, что v мало по сравнению с с , так что и v 2 / c 2 мало по сравнению с единицей. Затем, пользуясь теоремой о биноме (см. гл. 22 , примечание на стр. 239), получаем

т. е. старое выражение для кинетической энергии. Вот как работает хорошая теория, воспроизводя в предельном случае старый результат и указывая на его ограничение — малые скорости.

Мы говорим, что дополнительная масса движущегося тела — это масса [174] его кинетической энергии. Тело с массой покоя т0 при любой скорости обладает массой m 0 + ( E кин / c 2 ), как это нетрудно увидеть из вида кинетической энергии в теории относительности. При малых скоростях биномиальное приближение дает

m = m 0 + ( 1 / 2 mv 2 / c 2 ) =  m 0  + E кин / c 2 .

На другом краю находится излучение, не имеющее массы покоя ( m 0  = 0). Это не вещество и его нельзя удержать в покое, оно просто имеет массу m и движется со скоростью с , так что его энергия равна mс 2 . О порциях энергии, или квантах, мы говорим как о фотонах , когда хотим отметить поведение света как потока частиц. Каждый фотон имеет определенную массу m , определенную энергию Е = mc 2 и количество движения (импульс) mс .

3) Ядерные превращения

В некоторых экспериментах с ядрами массы атомов после бурных взрывов, складываясь, не дают ту же самую полную массу. Освобожденная энергия уносит с собой и какую-то часть массы; кажется, что недостающая часть атомного материала исчезла. Однако если мы припишем измеренной энергии массу Е / с 2 , то обнаружим, что масса сохраняется .

4) Аннигиляция вещества

Мы привыкли думать о массе как о неизбежном свойстве материи, поэтому переход массы из вещества в излучение — от лампы к улетающему лучу света — выглядит почти как уничтожение вещества . Еще один шаг — и мы с удивлением обнаружим то, что происходи: на самом деле положительный и отрицательный электроны, частички вещества, соединившись вместе, полностью превращаются в излучение. Масса их вещества превращается в равную ей массу излучения. Это случай исчезновения вещества в самом буквальном смысле. Как в фокусе, во вспышке света.

Измерения показывают, что ( энергия излучения при аннигиляции )/ с 2 равна полной массе обоих электронов — положительного и отрицательного. Антипротон, соединяясь с протоном, аннигилирует, обычно с выбросом более легких частиц с большой кинетической энергией.

5) Создание вещества

Сейчас, когда мы научились распоряжаться высокоэнергетическим излучением (сверхкоротковолновыми рентгеновскими лучами), мы можем приготовить из излучения частицы вещества. Если такими лучами бомбардировать мишень, они дают иногда пару частиц, например положительный и отрицательный электроны. И если снова воспользоваться формулой m = Е / с 2 как для излучения, так и для кинетической энергии, то масса будет сохраняться.

Сохранение вещества и энергии

Итак, мы ожидаем, что когда вещество теряет или приобретает энергию, даже если оно полностью исчезает или целиком создается, масса, с учетом массы излучения и других форм энергии, будет сохраняться. Хотя утверждение «вещество — это замороженная энергия» выглядит по-газетному наивно, теперь мы все же думаем, что так оно и выходит, что масса как комбинированное свойство вещества и энергии есть универсальная сохраняющаяся величина.

Мы имеем экспериментальное подтверждение этого для нескольких видов энергии: ядерной, излучения, обычной кинетической… и нет причин сомневаться в этом общем правиле. Если угодно, мы можем соединить законы сохранения массы и энергии в один Великий Закон Сохранения массы вещества + массы энергии.

Энергия, заключенная в веществе

Поскольку переходы между веществом и энергией все же существуют, мы можем рассматривать массу всего вещества как массу некой «внутренней энергии». Однако в обычных случаях этот запас недоступен. Капелька его выделяется при радиоактивных превращениях, чуть побольше — при делении и синтезе ядер и, насколько нам сейчас известно, только при аннигиляции пар (электронов и других частиц со своими античастицами) выделяется большая доля массы.

Другие формы энергии?

Какие же еще существуют формы энергии? Обычно ученые отвечают на это довольно странно: «Ну, а какие еще формы вам необходимы?» Необходимы? Для чего? Когда в прошлом мы открывали новые формы энергии, то вскоре обнаруживалось, что они укладываются в общую схему и подчиняются одному великому бухгалтерскому правилу: сумма всех сортов энергии остается постоянной, или энергия никогда не создается и не уничтожается, она только переходит из одной формы в другую. В современной науке эта схема оказалась настолько полезной, что, развались она, мы бы почувствовали себя несчастными и остались бы «беспризорными». Если мы действительно обнаружим изменение энергии, которая не входит в наш теперешний список форм энергии, если мы обнаружим, что энергия исчезает или появляется из ничего, то попробуем придумать новый вид энергии, который учел бы эту разницу. Выглядит это не очень честно и напоминает банкира, выдумавшего клиента, чтобы сбалансировать свои счета! Так оно и было бы, если бы мы не публиковали открыто и честно свои предположения и не помнили, что сделали их. Но все же это рискованно. Оглядываясь на историю развития наших представлений об энергии, можно сказать, что прежде мы шли на такой риск и он великолепно оправдывался. Всего лишь столетие назад мысль о том, что теплота — это форма энергии, казалась странной. Многие ученые соглашались с ней, а другие говорили об этом как о культе. Мысль о том, что в атомном ядре заключена энергия, была порождена радиоактивностью примерно полвека назад, но полное подтверждение пришло лишь в последние годы.

Нейтрон — этот важнейший элемент атомных реакторов — был обнаружен вследствие недостачи в энергетическом балансе. Вера в законы сохранения энергии и импульса в атомных соударениях (вопреки очевидному нарушению) привела к убеждению, что существует невидимая частица, которая вскоре была названа нейтроном. А раз додумались до этого, то нетрудно было и открыть эту частицу экспериментально. Затем вопрос о сохранении энергии возник в другой области ядерных превращений. Некоторые радиоактивные ядра испускали электроны (β-лучи), но при одинаковых конечных продуктах электроны из атомов вылетали с различной скоростью. Их кинетическая энергия изменялась от нуля до некоего характерного максимума. Таким образом, из учета выпадало большое и переменное количество энергии, а заодно исчезало и некое количество движения и момента количества движения. Тогда физики изобрели самую маленькую частичку из всего атомного арсенала — нейтрино. Она не имеет заряда, как полагают, и не имеет массы покоя; она может вылетать из атома невидимой, почти неуловимой, унося в точности нужную (!) кинетическую энергию и момент количества движения, так чтобы счет был сбалансирован. Бессовестная выдумка? Вряд ли бессовестная, но, конечно, рискованная, а может и неумная. В худшем случае, это похоже на казначейство, выпускающее лишние деньги. Но в благоприятном случае это может привести к новым экспериментам и расширению наших знаний. Тем не менее вся эта готовность придумать «божественную» (!) форму энергии должна казаться возмутительной. На банковском языке она напоминает таинственную графу в счетах «плата за доброжелательность» или непредвиденного «божественного» клиента. И хотя это случается, все же не происходит краха банка и банкир сохраняет доброе имя. Нейтрино на самом деле оказалось подлинным клиентом в нашем банке. На протяжении многих лет, оставаясь неуловимым, оно продолжало исправно балансировать наши счета. А в последнее время было получено прямое экспериментальное доказательство существования нейтрино.

С такими неразвеянными сомнениями мы вернемся к ключевому вопросу: «Является ли энергия чисто экспериментальным объектам, а ее сохранение целиком основано на эксперименте или это схема, о которой мы мечтаем и о которой условились и стараемся поддержать ее?» В ограниченной области механической энергии можно считать, что сохранение гарантировано законами Ньютона и векторным характером сил. И, конечно, вы с уверенностью будете считать закон сохранения энергии гарантированным и хорошо обоснованным экспериментально, после того как познакомитесь с работами прошлого века по теплоте как форме энергии (см. гл. 29). Будь общий закон сохранения энергии плодом недомыслия или воображения, ошибка выявилась бы еще много лет назад.

Однако сейчас вы можете рассматривать закон сохранения энергии в наиболее общем виде как нечто большее, нежели обобщение эксперимента. Он превратился в соглашение; в самосогласованной схеме энергия определяется так, что ее полная величина просто по определению должна оставаться постоянной.

Если вы разочарованы, прочитайте следующее замечание Пуанкаре, одного из крупнейших физиков-теоретиков.

«Так как мы не в силах дать общего определения энергии, принцип сохранения ее попросту означает, что существует нечто, остающееся постоянным. Поэтому, к каким бы новым представлениям о мире ни привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем: в них будет нечто остающееся постоянным, что можно назвать энергией».

Задача 5. Вывод формулы

Используя определение ускорения и т. д., выведите выражение для кинетической энергии F ∙ s = Δ( mv 2 /2). (Покажите, что v 2 = v 2 0 + 2 as , и выведите отсюда требуемый результат.)

Задача 6. Закон сохранения энергии

На бетонном тротуаре лежит мешок с песком в 100 кг. Рабочий поднял его на крышу здания на высоту 20 м, потом отпустил, мешок свободно упал на тротуар.

а)  Сколько химической энергии человека превратилось в потенциальную энергию земного притяжения? Выразите ее в джоулях.

б)  В тот момент, когда человек отпустил мешок,

1) какой кинетической энергией обладал мешок?

2) каким был запас потенциальной энергии мешка, если уровень тротуара принять за нулевой?

в)  Когда мешок, падая из состояния покоя, пролетел 1 сек, то —

1) как низко он успел упасть?

2) какова его скорость?

3) какова его кинетическая энергия?

4) какова его потенциальная энергия?

(Уровень тротуара принять за нулевой.)

5) пакова сумма кинетической и потенциальной энергии?

г)  Когда мешок, падая из состояния покоя, пролетел 2 сек, ответы на вопросы 1 и 5 пункта ( в ) могут быть другими. Дайте ответ на каждый из них.

д)  То же для случая 3 сек.

Задача 7. Превращение энергии

В каждом из перечисленных в п. ( а )-( m ) событий энергия переходит из одной формы в другую. Найдите эти две формы. (Там, где встречается важная промежуточная форма, приведите и ее.) Виды энергии и предлагаемые обозначения даны в табл. 2 на стр. 410.

( Примечание. Полученная из пищи энергия животных — это химическая энергия.)

Пример

Быстро летящая пуля ударяется о стенку и останавливается.

Ответ . Е кин —> Е тепл

а) Человек поднимает с пола камень и кладет его на полку.

б) Камень столкнули с полки, и он падает (но еще не упал на пол).

в) Быстро падающий камень ударяется о землю.

г) Человек кидает камень в горизонтальном направлении.

д) Камень, брошенный по полу, останавливается.

о) Порох в патроне взрывается, образуя сильно сжатый горячий газ.

ж) Этот газ толкает пулю по стволу ружья.

з) Мальчик берет волчок и запускает его.

и) Волчок остановился.

к) Аккумулятор в автомобиле раскаляет прикуриватель.

л) Падающая вода на гидроэлектростанции зарядила аккумулятор машины (с помощью генератора [176] ),

м) Быстрое течение реки заряжает аккумулятор машины (с помощью турбины и генератора).

н) Аккумулятор машины заряжает конденсатор (который затем может дать искру).

о) В горячей печи имеется глазок, из которого пышет жаром.

п) Огромный вес, падая, заставляет работать радиоустановку (при помощи блоков, шестерен, генератора, радиоламп и т. д.), которая передает какие-то сигналы.

р) Солнце обогревает жилище.

с) Солнце способствует росту растения.

т) Атомы радия излучают быстрые ядра гелия (альфа-частицы).

Задача 8

Человек тянет ящик массой 30 кг по шероховатому полу, прилагая горизонтальное усилие 100 ньютон. Ящик движется с постоянной скоростью 3 м/сек.

а) Каково ускорение ящика?

б) Какова действующая на него результирующая сила?

в) Каково, следовательно, должно быть сопротивление пола движению ящика?

г) Увеличивает ли ящик свою кинетическую энергию в процессе движения?

д) Сколько энергии затрачивает человек на ящик в течение 10 сек?

е) Куда уходит энергия, затрачиваемая человеком?

Задача 9

Человек тянет ящик массой 80 кг по не очень шероховатому полу с силой 100 ньютон. Пол сопротивляется с силой 40 ньютон. Ящик вначале покоился.

Пользуясь абсолютными единицами силы, найдите:

а) Ускорение ящика.

б) Насколько он продвинется за 3 сек?

в) Какую энергию затратит человек на ящик за эти 3 сек?

г) Сколько из этой энергии передается шероховатой поверхности пола и в какой форме?

д) Сколько энергии остается сверх этого в виде прироста кинетической энергии? [Найдите это вычитанием результата ( г ) из ответа на вопрос ( в ).]

е) Вычислите скорость ящика спустя 3 сек. Воспользуйтесь соотношением Е кин = 1 / 2 mv 2 и найдите ее увеличение.

ж) Согласуются ли ( е ) и ( д )? (Если же нет…?)

Задача 10

Пусть дана наклонная плоскость без трения с уклоном 3 м на каждые 5 м по плоскости (или на каждые 4 м по основанию). На наклонной плоскости покоится ящик массой 40 кг.

Фиг. 62. К задаче 10.

а) Если ящик удерживается веревкой, параллельной наклонной плоскости, то каково ее натяжение? (см. гл. 3 ).

б) Предположим теперь, что человек на верхнем конце плоскости тащит ящик за веревку и вытягивает 10 м веревки без увеличения скорости ящика.

Накую он затрачивает энергию?

в) Допустим, что человек отпустил веревку и ящик скатывается на 10 м по плоскости. При тех же предположениях вычислите ускорение ящика, а отсюда конечную скорость и увеличение кинетической энергии.

г) Пусть вместо втаскивания ящика по плоскости человек сначала поднял его вертикально на тот же уровень, затем без трения переместил по горизонтали на вершину плоскости (с помощью призрака Галилея!). Сколько энергии затратит он при таком подъеме ящика?

Задача 11. Энергия пули

Пуля массой 0,002 кг, двигаясь со скоростью 300 м/сек, попадает в кусок дерева массой 1,998 кг, покоящийся на идеально гладкой (без трения) поверхности стола. Пуля врезается в дерево (оно, весьма предусмотрительно, имеет нужную массу), и вся система медленно движется по столу. Вычислите:

а) Скорость системы после соударения (предполагая, как всегда, сохранение количества движения).

б) Кинетическую энергию пули до соударения.

в) Кинетическую энергию системы после соударения.

г) Потерю кинетической энергии в ходе соударения.

д) Какая доля (в %) первоначальной кинетической энергии пули сохранилась в виде кинетической энергии системы?

е) Какая доля первоначальной кинетической энергии потеряна при соударении?

ж) В какую форму (предположительно) перешла кинетическая энергия?

Задача 12. Вечный двигатель

Вечное движение (в смысле устройства, продолжающего движение без получения дополнительной энергии) вполне возможно.

а) Приведите один-два примера почти вечного движения.

б) Почему в большинстве случаев вечное движение все-таки не осуществляется?

Задача 13

Лыжный подъемник представляет собой петлю из троса, который перематывается мотором и втаскивает лыжников вверх по склону. Лыжный подъемник, приводимый в движение бензиновым мотором, втаскивает на гору лыжника, затем лыжник скатывается на лыжах по снегу, температура которого 6 °C. Проследите за переходами энергии на протяжении возможно большего числа стадий. Опишите требуемые формы энергий и (там, где это не очевидно) механизм перехода.

Примечание . Когда машина движется или вращается с постоянной скоростью, у нее есть какая-то кинетическая энергия. Но она не увеличивается и не уменьшается и, следовательно, не входит в баланс энергий, о котором спрашивается в вопросах наподобие этого. Трос лыжного подъемника может передавать энергию деформации, но она просто поддерживает постоянную Кинетическую энергию. Энергия вращения машины также постоянна, поэтому она тоже не входит в баланс.

Задача 14

Проследите в каждом из следующих случаев за переходами энергии вплоть до энергии Солнца:

1) уголь;

2) линия электропередачи от гидроэлектростанции.

Задача 15

При полном сгорании 1 г животного жира дает 9,5 Кал (1 Кал = 1000 кал). Пусть ваш нормальный рацион составляет 4000 Кал/день, а вы сократили рацион питания (включая сладости) до 3 / 4 нормального, но продолжаете прежнюю физическую деятельность. Сколько килограммов вы потеряете за месяц?

Задача 16

а) Свинцовая пуля массой 0,010 кг, летящая со скоростью 300 м/сек, ударяется о массивную стенку и останавливается. Вычислите возрастание температуры пули при условии, что вся кинетическая энергия пули превратилась в теплоту и вся теплота осталась в пуле. Напомним, что

ТЕПЛОТА = (МАССА) ∙ Δ (ТЕМПЕРАТУРЫ)∙(УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ)

дает количество тепла в Кал, если масса взята в кг, а Δ (темп.) — в градусах (1 Кал = 1 ккал — 4300 дж [177] ), удельная теплоемкость свинца равна 0,031).

б) Поясните, почему при вычислении возрастания температуря нет необходимости знать массу пули.

Задача 17

Чтобы дать представление о величине 1 дж, на фиг. 63 показана установка. Туго натянутая струна пропущена черев два блока, образуя петлю. В одной точке к ней прикреплен груз М , а в другой — кольцо, так что, если потянуть за кольцо вниз, груз поднимается вверх. Ограничители дают грузу возможность подниматься только на 1 м.

Какова должна быть масса М ?

Фиг. 63. К задаче 17.

Задача 18

Тележка на «американских горах» массой 1000 кг начинает двигаться из состояния покоя в точке А по рельсам с вертикальным профилем (фиг. 64) и с пренебрежимо малым трением. Вычислите скорость ее в точке В .

Фиг. 64. К задаче 18.

Задача 19. Применение упругих соударений в ядерной физике

а) Предположим, что частица А с массой m и скоростью v испытывает лобовое соударение с покоящейся частицей В той же массы m . Соударение упругое, так что сохраняется количество движения (как обычно) и кинетическая энергия. После соударения частица А движется со скоростью v ', а В — со скоростью w .

Фиг. 65. К задаче 19.

а) Напишите два уравнения, которые показывают, что соударение упругое; решив их, найдите, как движутся А и В после соударения (т. е. выразите v ' и w через v ).

б) Пусть А , как и выше, ударяется в покоящуюся частицу В , но масса В теперь равна 2 m , т. е. вдвое больше массы А . Если это лобовое упругое соударение, то как будут двигаться А и В ?

в) Как после соударения будут двигаться А и В при тех же условиях, что и в вопросе ( а ), за исключением того, что масса В в Q раз больше массы А , т. е. массы их m и Q ∙ m ? (фиг. 65).

г) Теперь вы получили «формулу», годную для применения в любом случае с данным отношением масс. Проверьте ее для случаев ( а ) и ( б ) ( m , m m и m , 2 m ). (В этом достоинство формул. По серии измерений строится общая формула, которая сокращает время на расчета. Но плохо, когда формула используется без понимания, слепо заимствуется откуда-то. Это столь же опасно, как и лечение по чужому рецепту.)

д) Посмотрите по полученной в ответе на вопрос ( в ) формуле, что получится, если частица А во много раз массивнее частицы В , т. е. Q мало. Покажите, что шарик для гольфа должен отлететь от массивной клюшки со скоростью, почти вдвое большей скорости клюшки. (Если вы не согласны с этим выводом, попытайтесь сначала перейти к другому пределу — легкий шарик ударяется о массивную стенку.)

Задача 20. Применение упругих соударений к ядерным реакторам

Воспользовавшись результатами задачи 19 , ответьте на следующие вопросы:

Частица А , двигаясь со скоростью v , испытывает упругое лобовое столкновение с частицей В .

а)  Какую долю первоначальной кинетической энергии теряет А , если

1)  А и В имеют равные массы mum?

2)  В вдвое массивнее А ?

3) Масса В очень мала по сравнению с А ?

4) Масса В очень велика по сравнению с А ?

б)  В ядерных реакторах нейтроны замедляют, используя для этого редкие упругие соударения с ядрами некоторого вещества — «замедлителя», помещаемого с этой целью в реактор. По шкале, где ядро водорода имеет массу 1, ядро углерода имеет массу 12, алюминия — 23, свинца — 208, а электрон — 0,0005. Какое из веществ было бы лучшим замедлителем? Какое из них было бы на втором месте? Сам нейтрон по этой шкале имеет массу 1 («лучший» замедлитель на деле оказывается непригодным, ибо он поглощает нейтроны, так что мы должны предпочесть другое вещество. Конечно, не все соударения нейтронов лобовые, тем не менее это простое вычисление дает качественное указание).

Задача 21. Математика — честный слуга

На одном из этапов вывода формулы в задаче 19 вы, по-видимому, сократили общий множитель w и получили простое уравнение с одним ответом. Каков «другой ответ» и что он означает?

Задача 22. Важность скользящих соударений

Пусть частица А , летящая со скоростью v , сталкивается с покоящейся частицей В той же массы. Удар не лобовой, частица А улетает в одном направлении, а частица В — в другом (фиг. 66). Покажите, что если соударение упругое, а частицы А и В имеют равные массы, то их траектории после соударения должны образовать угол 90°. Поскольку количество движения — вектор, его сохранение можно представить в виде векторной диаграммы количества движения частиц до соударения и после соударения. Если кинетическая энергия сохраняется… Пифагора…)

Фиг. 66. К задаче 22.

Проверьте этот ответ на упругих шариках из стали или слоновой кости, подвешенных на длинных нитях. Это дает важный способ проверки равенства масс в ядерной физике. Мы можем фотографировать следы α -частиц (из радия) в камере Вильсона. Иногда (весьма редко) α -частицы сталкиваются с ядрами и их следы, образуют вилку наподобие буквы Y. Альфа-частицы — это ядра гелия, поэтому полученный выше результат, предсказывает при соударении их с ядрами гелия прямой угол между следами на развилке. Фотографии следов в камере Вильсона, содержащей гелий (атомы его движутся слишком медленно и не портят предположений), дают в точности 90° на развилке.

Задача 23. Излучение: хороший пример из теоретической физики

(Это очень длинная задача, но она содержит важный анализ излучения. Вероятно, будет полезнее, если вы самостоятельно ответите на вопросы, нежели просто прочтете соответствующий текст и готовые ответы.)

Некоторые общие свойства излучения предсказываются при помощи нехитрых теоретических рассуждений, опирающихся на общие понятия теплоты и температуры. Дополните изложенные ниже рассуждения, и вы получите эти свойства.

Вообразите большой, хорошо изолированный сосуд, поддерживаемый при постоянной температуре, возможно очень высокой, так что его стенки раскалены добела; сосуд заполнен излучением, которое мечется туда и сюда между стенками ящика. Внутри сосуда создан вакуум, так что никакой теплопроводности и конвенции нет и теплота поступает к любым предметам в сосуде только в виде излучения.

Опыт показывает, что если в такой сосуд поместить несколько предметов с различной температурой, то постепенно их температура сравняется с температурой стенок, даже если эти предметы различны по размерам, форме, материалу и поверхности. Рассмотрите следующие случаи и угадайте некоторые свойства излучения.

1) Предположим, что в сосуд помещен небольшой диск В . На него попадает излучение от стенок и других предметов в сосуде. Часть падающего излучения поглощается диском, а остальное отражается (и пропускается диском, если он прозрачный). Поглощенное излучение превращается в теплоту, которая стремится нагреть диск. Но отраженная (и пропущенная) часть излучения не дает теплоты, — она уносит свою энергию. В то же время диск сам испускает излучение и поток этого излучения зависит только от размеров, поверхности и температуры диска и не зависит от его окружения. Здесь делается очень важное предположение, что нагретое тело испускает излучение совершенно независимо от поглощения.

а)  После того как диск достиг окончательной температуры, он не нагревается и не охлаждается; каковы должны быть скорости поглощения излучения и его испускания по сравнению друг с другом? ( Примечание . Просто потому, что температура перестала расти, эти две скорости не будут равны нулю. Диск по-прежнему в полной мере поглощает излучение и обильно испускает его.)

б)  Предположим, что вначале, когда диск поместили в сосуд, он был холоднее самого сосуда. Почему диск нагревается и в конце концов приобретает конечную температуру?

в)  Если же вначале диск был горячее сосуда, то почему он потом остывает и приобретает свою конечную температуру?

г)  Какое заключение (качественное) можно сделать из ( б ) и ( в ) относительно излучения и температуры?

2) Пусть теперь диск помещается попеременно в нескольких разных местах внутри сосуда, чтобы в каждом из этих мест диск приобретал со временем каждый раз достаточно постоянную температуру. Опыт показывает, что диск приобретет одинаковую температуру — температуру стенок сосуда независимо от того, куда он помещен.

а)  Поскольку диск находится при одной и той же температуре, куда бы его ни перемещали, испускаемое им количество излучения остается…?

б)  Что теперь вы можете сказать об интенсивности излучения в любом направлении и в любой части сосуда, которое попадает на диск?

3) Предположим теперь, что в сосуд помещены три диска А, В и С одинакового размера, но сделанные из разных материалов.

А — имеет блестящую металлическую поверхность (почти идеальное зеркало),

В — имеет черную поверхность (почти идеальный поглотитель),

С — прозрачный (стекло).

а)  Ответ на вопрос 2 говорит, что количество излучения, падающее на три разных диска А, В и С , должно быть…?

б)  Большая часть излучения, падающего на прозрачный диск, проходит сквозь него. Что происходит с большей частью излучения, падающего на диски А и В ?

в)  Что происходит с остальной частью излучения, падающего на диски А, В и С ?

4) Эти три диска, хотя и поглощают излучение, не становятся горячее, и их температура, благодаря тому что они испускают излучение, остается постоянной. Скорости поглощения излучения дисками различны, но нагреваются они все до одной и той же температуры. Что можно сказать на основании ваших прежних ответов об относительном количестве излучения, испускаемого этими тремя дисками?

5) Какое из этого следует общее свойство относительно испускания и поглощения поверхностями разного рода?

6) Согласуется ли с этим вашим заключением какой-либо лабораторный эксперимент? Если «да», то кратко опишите его.

7) Опишите коротко рассуждения, которые привели вас к выводу общего свойства. «Предположим, что различные тела (черное, зеркальное и прозрачное) в наполненной излучением печи достигают одинаковой температуры независимо от того, куда они помещены. Мы, приходим к выводу, что…» (продолжайте дальше сами).

8) «Невидимки» в печи. Предположим, что вы можете заглянуть через глазок внутрь горячей печи и рассматривать раскаленные стены и помещенные туда предметы А, В и С . Вы увидите пышущие жаром стены, на фоне которых совершенно невозможно различить А, В и С (Именно с этим сталкиваются инженеры. Когда они смотрят в печь, то не могут различить предметы, находящиеся внутри нее. Вы можете убедиться в этом, заглянув в ярко горящую печь — контуры горящего угля или полена исчезают в общем жару.)

а)  Объясните эту неразличимость на основе всего сказанного выше.

б)  Поясните ваши рассуждения.

 

Глава 27. Измерение количества тепла и температуры

Эта глава предназначена для самостоятельного изучения без помощи преподавателя. Как и ученому, вам следует знать, как измеряется теплота и температура. Если же вас интересует смысл науки, то вы убедитесь, что простые измерения порождают глубокие вопросы.

Мы опускаем здесь технические детали калориметрии и не приводим обычных лабораторных упражнений, чтобы уделить больше времени более существенным вопросам.

В первой части настоящей главы описаны примитивные опыты по измерению количества тепла, которые вам следует самим проделать в лаборатории. Вторая часть посвящена температуре от простых описаний и до обсуждения глубокого смысла этого понятия. Познакомьтесь с ним, насколько у вас хватит духу.

I. ТЕПЛОТА

Теплота и температура

Поставьте на огонь кастрюльку с водой и понаблюдайте за ее температурой. Пламя отдает тепло кастрюльке и ее содержимому и повышает их температуру. Кастрюлю больших размеров с бóльшим количеством воды нужно греть дольше и сжечь больше топлива, чтобы добиться такого же повышения температуры. Мы говорим большее количество тепла . В обыденном разговоре слово «тепло» звучит как синоним температуры, но в науке эти слова означают совершенно разные вещи [178] . Теплом мы называем ту «субстанцию», которая делает предметы горячее. Температура же только показывает, насколько горяч предмет или каков его «уровень теплоты».

Описание температуры и количества тепла

Температура — это «степень нагретости» по определенной шкале. Градуировку термометра мы производим, исходя из нашего представления о тепле и холоде. Чтобы один термометр согласовался с другим, мы приписываем двум стандартным уровням «нагретости» — таящему льду и бурлящему кипятку — два числа: 0 и 100, и делим промежуток на сто равных долей. О смысле измерения температуры мы будем говорить позднее, а сейчас рассмотрим термометры, как нечто само собой разумеющееся, наподобие секундомера. Они говорят нам о степени нагретости данного предмета. Эту степень нагретости они характеризуют по определенной шкале, и их показания мы называем «температурой».

Теплота — это то, что делает предметы горячее, расплавляет твердые вещества или испаряет жидкости. Когда мы нагреваем железный стержень или сосуд с водой на пламени или на электроплитке, то можем представить себе, что в предметы «вливается» некоторое количество тепла в виде невидимой и невесомой субстанции, которая делает их горячее. Чем больше количество железа или воды, тем больше требуется теплоты. Эта теплота возникает из горящего топлива, и чтобы нагреть 2 л воды до желаемой температуры, его требуется вдвое больше, чем для 1 л, а 5 л требуют в 5 раз больше топлива, чем 1 л. Дополнительное повышение температуры также требует затрат большего количества топлива.

Мы считаем, что если такое-то количество тепла нагревает предмет от 10 до 20°, то это же количество тепла нагреет его и от 20 до 30°.

В большинстве случаев эксперименты подтверждают это. Если «массу» таинственной тепловой субстанции измерить по количеству топлива, то если

ТЕПЛОТА ~ РАСХОД ТОПЛИВА,

имеем

ТЕПЛОТА ~ МАССА НАГРЕВАЕМОГО МАТЕРИАЛА,

ТЕПЛОТА ~ ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МАТЕРИАЛА.

Первые опыты, проведенные около двухсот лет назад, не учитывали расхода топлива, но привели к тем же результатам, хотя теплота рассматривалась как некая невидимая субстанция и в опытах изучался ее переход от горячего тела к холодному. Мы тоже начнем с подобных опытов.

Поиски подходящего способа измерения теплоты

Опыт 1. Нагревание воды . (Попытайтесь сделать это в лаборатории. Если не удастся, то посмотрите демонстрационный опыт.) Нагрейте немного воду в металлическом или стеклянном сосуде. Наперсток спирта, сгорающий в металлической чашечке, создаст стандартную «порцию» тепла, одну и ту же во всех опытах [180] .

1) Сообщите вашу «порцию» тепла 1 кг воды и замерьте повышение температуры.

2) Сообщите одну «порцию» 0,5 кг воды. Пламя едва ли «догадывается», сколько оно греет воды — 1 кг или 0,5 кг. Мы пытаемся рассматривать теплоту как некую невидимую субстанцию, проникающую в воду, и найти способ или схему измерения количества тепла, выделенного одной «порцией».

Фиг. 67. Опыт 1.

а — горелка; б — защита горелки и подставка для кастрюли; в — схема опыта 

Правильный способ должен дать одинаковый ответ для обоих опытов. Разберите теперь три возможные схемы:

а) Повышение температуры. Допустима что повышение температуры — это единственная мера количества тепла. Удовлетворяет ли оно нашему требованию: одинаково ли оно для обоих приведенных опытов? Нет.

б) Количество нагреваемой воды тоже важно, так как в случае большего количества воды повышение температуры будет меньше. Попытайтесь сложить повышение температуры с массой воды. Пусть вам удалось найти формулу вроде

Δ ТЕМПЕРАТУРЫ ∙ 43 + МАССА ВОДЫ.

Справедлива ли эта формула для другой массы, скажем 2 кг?

в) Попытайтесь умножить массу воды на повышение температуры. Не придирайтесь к точности расчетов — они, конечно, очень грубы. Тепло легко утекает из любого прибора. В большинстве опытов экспериментаторы ведут отчаянную борьбу с потерями тепла в воздух и т. д., так что и в демонстрационном опыте и в вашем собственном вы можете рассчитывать лишь на грубое согласие.

Разнообразие экспериментов до нагреву успешно описывает предложенная выше схема (в), к тому же она согласуется с подходом к теплоте как энергии. Так что давайте примем ее и сформулируем правило.

Правило. Для измерения количества тепла назрейте им воду и помножьте

МАССА ВОДЫ ∙ ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.

Единицы количества тепла

Если масса воды измеряется в килограммах, а повышение температуры — в градусах Цельсия, то теплота получается в (кг воды)∙°С; мы называем эту единицу «килокалорией» («большой калорией»), или просто «Калорией»  (с большой буквы).

Итак, 1 килокалория — это количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1 °C. Если мы используем эти единицы теплоты, то наше прaвило кажется разумным. Например, «Сколько теплоты требуется для нагревания 3 кг воды на 5 °C?» Нагревание каждого килограмма на 1 °C требует 1 Кал (по определению). Нагревание 1 кг на 5 °C требует 5 Кал. Нагревание же 3 кг на 5 °C требует в 3 раза больше, или 3x5=15 Кал. Итак, нагревание 3 кг на 5 °C требует 15 «единиц», каждая из которых нагревает 1 кг на 1 °C, или 15 Кал.

В общем случае нагревание М кг воды на Δt градусов требует М∙Δt Кал. Это рассуждение молчаливо предполагает аддитивность теплоты, или количества топлива.

В качестве стандартного вещества, которому при измерении сообщается теплота, выбрана вода, так как она доступна и легко перемешивается. Чтобы выяснить, не ограничено ли наше правило только водой, повторим опыты с 1 кг другого вещества, скажем алюминия или глицерина. Умножение повышения температуры на массу материала, как и в случае воды, дает завышенный результат (для алюминия ответ получается больше в 5 раз). Чтобы добиться того же эффекта теплоты с другим веществом, мы должны, как и для воды, сначала перемножить массу и повышение температуры, а затем помножить это на особое, характерное для данного вещества число (для алюминия около 0,2), называемое удельной теплоемкостью. Удельная теплоемкость — очень полезная характеристика при тепловых расчетах, но мы не будем рассматривать ее здесь подробно).

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ

Опыт 2. Смешивание горячей и холодной воды. Проверим наше правило измерения теплоты в опыте с горячей и холодной водой — одним из первых опытов, которые привели к созданию методов измерения теплоты, или калориметрии. Нальем 0,3 кг холодной воды в один сосуд и 0,4 кг горячей воды в другой большой тонкостенный [183]  сосуд. Тщательно перемешаем и измерим их температуры. Быстро выльем холодную воду в горячую, перемешаем и измерим окончательную температуру. В окончательной смеси холодная и теплая вода перемешались, но мы знаем, что их конечная температура — это температура 0.7 кг воды. Если теплота не исчезает, то следует ожидать, что горячая теряет, а холодная вода приобретает равные количества теплоты (со скидкой на потери теплоты). Вычислим повышение температуры холодной воды и понижение температуры горячей.

Равны ли они? Конечно, нет, ибо температура сама по себе не является мерой количества тепла. Попробуем воспользоваться произведением

МАССА ВОДЫ ∙ ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.

Произведения не будут точно равны и противоположны, но это самое простое и удовлетворительное правило, и можно найти оправдание тому, что оно не выполняется совершенно точно.

Опыт 3. Измерение количества тепла.

1) Измерьте количество тепла, переданное кастрюле с водой при сжигании 1 см 3 спирта.

2) Измерьте количество тепла, переданное кастрюле с водой бунзеновской горелкой за 1 мин работы.

Это очень простые, грубые опыты, но они позволят почувствовать масштаб Калории.

3) Если угодно, повторите опыты с различными массами воды или различными периодами нагревания.

В последнем случае найдите количество тепла, подведенное за 1 мин.

4) Сожгите 1 см 3 спирта под большим куском алюминия. Допуская, что спирт передает одинаковое количество тепла как алюминию, так и кастрюле с водой, оцените удельную теплоемкость алюминия.

Если хотите, исследуйте различные сорта пламени горелки: желтое, коптящее, спокойное, ревущее. Исследуйте также температуру разных сортов пламени, использовав в качестве грубого индикатора кусочек железной проволоки или сгоревшую спичку.

В расчетах можно либо рассматривать воду как единственный объект полезного нагревания, либо учесть теплоту, отдаваемую кастрюле. В этом случае надо знать удельную теплоемкость материала, из которого она сделана.

Фиг. 68. Опыт 3.

Опыт 4 (факультативный). Оценка температуры пламени на основе калориметрии. Наряду с измерением теплоотдачи бунзеновской горелки оцените температуру ее пламени. Для этого поместите кусок железа, скажем большую железную гайку на железной проволоке, в пламя горелки. Когда гайка нагреется докрасна, бросьте ее в небольшую кружку с холодной водой (желательно с теплоизолирующим кожухом, чтобы ее можно было назвать «калориметром»). Тщательно измерьте начальную и конечную температуры. (Погружение гайки будет эффектной, но опасной операцией. Разумно сначала сделать грубые измерения, чтобы установить, сколько же нужно взять воды.)

Фиг. 69. Опыт 4.

Чтобы вычислить температуру пламени, познакомьтесь с задачей 1, а величину удельной теплоемкости железа возьмите из других опытов.

Задача 1. Оценка температуры пламени (аналогично опыту 4, в большем масштабе.)

Кусок железа массой 2 кг нагрет в печи и брошен в ведро, содержащее 30 кг воды с температурой 15,0 °C. После перемешивания температура води стала 25,0 °C. Удельную теплоемкость железа в этой области температур примите равной 0,159.

а) Вычислите количество тепла, полученного водой.

б) Теплота, потерянная железом, равна

МАССА ∙ УМЕНЬШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ∙ УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ.

Подставьте в это выражение имеющиеся у вас данные.

в) Предположим, что количество тепла, потерянного железом, равно количеству тепла, полученному водой. Вычислите изменение температуры, железа.

г) Какую температуру печи это дает, заниженную или завышенную. Почему?

д) Будет ли такой опыт, но в большом масштабе более точным или менее точным, чем опыт в малом масштабе? Дайте обоснование вашего ответа. (Рассмотрите внимательно потери тепла.)

Опыт 5. Нагревание снега. (Если снега нет, то подойдет и измельченный лед.) Наполните снегом небольшую металлическую кружку. Положите в снег термометр и измерьте его температуру. Сообщите снегу некоторое количество тепла, сжигая под ним 1 см 3 спирта [184] .

Перемешивайте тающий снег до тех пор, пока показания термометра не начнут меняться. Запишите показание термометра. Сообщите затем кружке еще такое же количество тепла. Перемешайте содержимое кружки и измерьте температуру.

Продолжайте делать так, пока вода не станет теплой пли пока она не закипит. Очень важен перерыв после каждого нагрева, чтобы эффективное перемешивание успевало выравнивать температуру содержимого. На ранних стадиях на это потребуется минута или даже больше, потом хватит нескольких секунд, а в конце времени почти не потребуется. Нарисуйте график зависимости температуры от количества тепла . Какое заключение можно сделать из этого графика. ( Примечание. Можно надеяться на качественные и приближенные количественные выводы.)

Скрытая теплота

Опыт с нагреванием снега (или демонстрация, заменяющая его) показывает, что теплота не всегда ведет к нагреванию, иногда она тратится на плавление или испарение, причем в таких случаях температура не меняется. Мы считаем, что тепловая энергия уходит на отрыв молекул от твердого кристалла или на пополнение кинетической энергии, унесенной быстрыми испарившимися молекулами. «Пропавшее» тепло мы называем скрытым.

Опыты показывают, что для того, чтобы растопить 1 кг льда без изменения температуры, требуется 80 Кал. А чтобы превратить в пар 1 кг воды при 100 °C, требуется 540 Кал. Список тепловых расходов для превращения в пар 1 кг льда, взятого первоначально при температуре, скажем, — 10 °C, выглядит следующим образом:

Нагревание льда до точки таяния (поскольку удельная теплоемкость льда = 0,5)… 5 Кал

Плавление льда при температуре 0 °C (превращение твердого тела в жидкость без изменения температуры)… 80 Кал 

Нагревание растаявшего льда до точки кипения… 100 Кал 

Выкипание воды при 100 °C (без изменения температуры)… 540 Кал 

Обратите внимание, насколько трудно отрывать молекулы от жидкости и превращать ее в пар. Превращение льда в кипяток обходится в 185 Кал, а выкипание берет почти в 3 раза больше. При конденсации пара теплоты выделяется гораздо больше, чем при охлаждении горячей воды: ожог паром гораздо тяжелее, нежели крутим кипятком.

Задача 2. Теплота превращения воды в пар

Электрокипятильник, работая 2 мин, нагревает 10 кг воды в баке от 20,0 до 22,6 °C. Тот же кипятильник при том же потреблении энергии был опущен на 2 мин в термос с кипящей водой. После этого термос, который вначале весил 2,000 кг, стал весить 1,950 кг.

а) Сколько теплоты выделил нагреватель за 2 мин?

б) Сколько воды выкипело?

в) Оцените теплоту выкипания 1 кг воды [185] .

г) Каков, по-вашему, получится ответ на предыдущий вопрос — завышенный или заниженный? Почему?

Фиг. 70. К задаче 2.

Задача 3. Теплота конденсации пара

Бак содержит 5,00 кг воды при 18 °C. Из большого кипятильника в бак через трубу поступает горячий пар и нагревает воду до 30 °C. После этого в баке оказывается 5,10 кг воды.

а) Какова масса сконденсировавшегося пара?

б) Сколько теплоты получили 5,00 кг воды?

в) Предположим, что холодная вода приобрела теплоту от пара, который сконденсировался и охладился до 30 °C. Сколько теплоты выделит 1 кг пара при такой конденсации и охлаждении?

г) Сколько теплоты выделил бы 1 кг воды при охлаждении от 100 до 30 °C?

д) Оцените теплоту конденсации 1 кг пара без изменения температуры.

е) Будет ли эта ваша оценка завышена или занижена? (Рассмотрите две возможные причини: первая — потери тепла и вторая — капли воды, принесенные паром и включенные в вес пара, дают меньшее тепловыделение.)

Задача 4. Теплота плавления льда

В большом куске льда выдолблено углубление и внутренность осушена губкой. Быстро нальем туда 2,0 кг воды, при температуре 50 °C. Вода перемешивается до тех пор, пока не охладится до 0 °C. Затем вся вода в углублении тщательно собирается и взвешивается. Ее вес равен 3,25 кг. Сколько теплоты пошло на то, чтобы лед растаял? Сколько ее требуется для того, чтобы растаял 1 кг льда?

Фиг. 71. К задаче 4.

Теплота и энергия

Сжатие нагревает газ — сообщает ему теплоту, хотя, если вас спросят: «Что делает с молекулами движущийся поршень?», вы ответите: «Он просто заставляет их двигаться быстрее». Таким образом, теплота, по-видимому, связана с молекулярным движением в газе. Она появляется и в тех случаях, когда куют мягкий металл или трут друг о друга неровные поверхности. Во всех случаях теплоту можно приписать движению атомов и молекул. Тщательные измерения показывают, что механическая энергия и теплота взаимопревращаемы с фиксированным «обменным курсом». В результате мы приходим к выводу, что теплота — это одна из форм энергии. Исследованию теплоты и ее связи с другими формами энергии посвящена гл. 29.

II. ТЕМПЕРАТУРА

Термометры и температура

Вопрос «Что такое шкала температур?» — годится для любого физика — от студента до профессора. Полный ответ на него занял бы целую книгу и мог бы послужить хорошей иллюстрацией изменения взглядов и прогресса физики за последние четыре века.

Температура — это степень нагретости по определенной шкале. Для грубой оценки, без термометра, можно воспользоваться чувствительностью собственной кожи, но наши ощущения тепла и холода ограничены и ненадежны.

Опыт 6. Чувствительность кожи к теплу и холоду. Этот опыт весьма поучителен. Поставьте три тазика с водой: один с очень горячей, другой с умеренно теплой, а третий с очень холодной. Опустите минуты на 3 одну руку в горячий, а другую в холодный таз. Затем обе руки опустите в таз с теплой водой. Теперь спросите-ка каждую руку, что она «скажет» вам о температуре воды?

Фиг. 72. Что «скажут» руки?

Термометр точно говорит нам, насколько вещь горячее или холоднее; с его помощью можно сравнить степень нагретости разных предметов, пользуясь им вновь и вновь, мы можем сопоставить наблюдения, сделанные в разное время. Он снабжен определенной неизменной, воспроизводимой шкалой — характерной принадлежностью любого хорошего прибора. Способ изготовления термометра и сам прибор диктуют нам ту шкалу и систему измерений, которой мы должны пользоваться. Переход от грубых ощущений к прибору со шкалой — не просто усовершенствование нашего осязания. Мы изобретаем и вводим в употребление новое понятие — температуру.

Наше грубое представление о горячем и холодном содержит в зародыше понятие температуры. Исследования показывают, что при нагревании многие из важнейших свойств вещей изменяются, и для изучения этих изменений нужны термометры. Повсеместное распространение термометров в обиходе отодвинуло на второй план смысл понятия температуры. Мы считаем, что термометр измеряет температуру нашего тела, воздуха или воды в ванне, хотя на самом деле он показывает лишь свою собственную температуру. Мы считаем изменения температура от 60 до 70° и от 40 до 50° одинаковыми. Однако никаких гарантий того, что они действительно одинаковы, у нас, по-видимому, нет. Нам остается считать их одинаковыми по определению Термометры все же полезны нам как верные слуги. Но действительно ли за их преданным «лицом» — шкалой скрыта Ее Сиятельство Температура.

Простые термометры и шкала Цельсия

Температуру в термометрах показывает расширяющаяся при нагревании капелька жидкости (ртути или окрашенного спирта), помещенная в трубку с делениями. Чтобы шкала одного термометра совпадала с другой, мы берем две точки: таяние льда и кипение воды в стандартных условиях и приписываем им деления 0 и 100, а интервал между ними делим на 100 равных частей [186] . Итак, если по одному термометру температура воды в ванне равна 30°, то любой другой термометр (если он правильно проградуирован) покажет то же самое, даже если у него пузырек и трубка совсем другого размера. В первом термометре ртуть расширяется на 30/100 расширения от точки плавления до точки кипения. Разумно ожидать, что и в других термометрах ртуть будет расширяться в той же степени и они также покажут 30°. Здесь мы полагаемся на Универсальность Природы [187] .

Предположим теперь, что мы взяли другую жидкость, например глицерин. Даст ли это ту же шкалу при прежних точках? Конечно, для согласования со ртутным глицериновый термометр должен иметь 0° при таянии льда и 100° — при кипении воды. Но будут ли показания термометров совпадать при промежуточных температурах? Оказывается нет когда ртутный термометр показывает 50,0 °C, глицериновый термометр показывает 47,6 °C. По сравнению со ртутным глицериновый термометр на первой половине пути между точкой таяния льда и точкой кипения воды немного отстает. (Можно сделать термометры, которые дадут еще большее расхождение. Например, термометр с парами воды показал бы 12° в точке, где по ртутному 50°!)

Какую же шкалу считать правильной ? Какой термометр показывает истинную температуру? Давайте пока уклонимся от ответа на столь острые вопросы и разберемся, какой из термометров более удобен — ртутный, глицериновый или спиртовой. Удобнее всего ртутный, и тому есть ряд причин.

Ниже описаны 8 особенностей ртути. Ваша задача — объяснить достоинство каждой из них. Достоинства первой особенности очевидны, седьмой — далеко не очевидны, как и недостатки восьмой особенности. Однако когда вы догадаетесь, в чем дело, то сразу же почувствуете, что это именно так Ваше объяснение восьмой особенности можно проверить на ртутном термометре экспериментально.

Фиг. 73. Сравнение расширения ртути и глицерина при нагревании (кривизна сильно преувеличена).

а — расширение глицерина по сравнению со ртутью, б — расширение ртути по сравнению с глицерином. Расширение одной жидкости можно рассматривать как предмет исследования, а расширение другой использовать для измерения температуры, но что здесь что? Как правильно распределить их роли?

Особенности ртути

Достоинства

1) Непрозрачна.

2) Остается жидкой в широкой области температур.

3) Трудно испарима при обычных температурах. (Спирт легко испаряется в области «больших» температур и конденсируется в области «малых». Что будет со спиртовым термометром, если опустить в теплую воду лишь его шарик?)

4) Имеет большой краевой угол со стеклом. (Что произойдет со спиртовым термометром, если его быстро охладить?)

5) Легко получается в чистом виде.

6) Это металл и, подобно другим металлам, обладает хорошей..?

7) При одном и том же повышении температуры расширяется меньше большинства жидкостей.

Недостатки

8) Слишком плотная.

Задача 5. В чем состоят достоинства 1–7 особенностей ртути и чему мешает особенность 8?

В некоторых учебниках упоминается еще одно достоинство: ртуть расширяется равномерно . Это уже совсем ненаучное утверждение. Оно не то, что неверно само по себе, а просто бессмысленно. Догадаетесь ли, в чем здесь загвоздка? Рассмотрим опыт, который обычно ставится для проверки характера расширения.

Опыт 7. Прибор, измеряющий расширение ртути А , помещается в сосуд с водой (фиг. 74); он состоит из стеклянного шарика со ртутью и проградуированной трубки, которая измеряет расширение, В — термометр, т. е. стеклянный шарик со ртутью и проградуированная трубка, которая показывает температуру.

Фиг. 74. Абракадабра.

Послушный студент нагревал воду в сосуде, тщательно перемешивал ее, делал ряд отсчетов, строил график зависимости расширения от температуры , и был удовлетворен, получив прямую линию. Ему следовало бы понять, что этот опыт не дает никакой информации о расширении ртути [188] , кроме подтверждения общего убеждения в Универсальности Природы. Таким образом, мы не можем сказать, что одна жидкость дает «правильную» температурную шкалу, а другая — неправильную. Мы можем выбрать любую из жидкостей и объявить, что она, по соглашению, и будет давать стандартную шкалу. При этом, однако, мы не можем утверждать, что получили истинную шкалу температур — ведь то же справедливо и по отношению к любой другой жидкости.

Но коль скоро нет «единственной» жидкости, то, может быть, нет и истинной температуры? На первый взгляд это обескураживает, но приводит к полезным выводам. Первый — практический, мы вправе остановиться на ртутном термометре. Он удобен в использованиях, его легко изготовить и измеряет он температуру в определенной шкале. С теоретической точки зрения мы выяснили, что температура, будучи нашим собственным изобретением, связана с прибором для ее измерения. Вновь и вновь мы приходим к тому, что понятия должны подразумевать способ их определения — к так называемому «операционному определению»; следует избегать романтичного представления о том, что в основе лежит некое свойство природы, которое просто выявляется при таком подходе. Сравните это с различием между пространными рассуждениями философов о Правосудии, верой простых людей в единственность Правосудия и практическим подходом юристов к определению Правосудия посредством законов и их соблюдения. Вам может казаться, что некоторые измерения в науке связаны с сущностью предметов и не нуждаются в операционном определении, но будьте осторожны. Возьмите, например, площадь. Мы хорошо знаем, что такое площадь. Но несмотря на это, когда мы пытаемся определить площадь, например 6 м 2 , мы ловим себя на том, что начинаем рисовать сетку и считать квадратики или же, если вас предупредили, что это означает признание операционного определения понятий, вы начинаете говорить о том, сколько краски потребовалось бы для покрытия площади, но это также операционный подход, ибо кисть тоже инструмент.

До сих пор нам очень хотелось найти истинную температуру или более общую, более изначальную, чем температура, основанная на произвольном выборе ртути. Нечто похожее дает нам газовый термометр.

Газовый термометр измеряет температуру по расширению образца воздуха иди другого газа или же по увеличению давления в фиксированном объеме (закон Бойля гарантирует нам их эквивалентность). Чтобы уменьшить трудности, связанные с расширением стекла, в качестве стандарта используют газовый термометр, ибо расширение газа в 20 раз больше, чем ртути, и тем самым влияние стекла сводится к минимуму. Кроме того, газовый термометр удобен и с методической стороны, так как все газы ведут себя практически одинаково. Показания термометров с различными газами практически идеально согласуются. Отказавшись от ртути в пользу газов, мы чувствуем, что приблизились к истинной температуре, если вы еще сохранили веру в не [189] >.

Газовый термометр

На фиг. 75, а изображен термометр, который измеряет расширение газа. Капля ртути запирает в капилляре с запаянным концом объем сухого воздуха. При измерении необходимо погружать в среду весь термометр. Перемещение капли ртути в капилляре показывает изменение объема газа; на капилляре нанесена шкала с отметками 0 и 100 для точек таяния льда и кипения воды, как и у ртутного термометра.

Такой термометр не годится для очень точных измерений Мы хотим рассказать о газовом термометре, чтобы пояснить общую идею. Термометр такого типа показан на фиг. 75, б . Ртутный барометр АВ измеряет давление постоянного объема газа в баллоне С . Но вместо того чтобы отмечать высоту столба ртути в барометре в единицах давлении, мы наносим на нем отметку 0, когда баллон помещен в тающий лед, и 100, когда в кипящую воду, я строим по ним всю шкалу Цельсия. Пользуясь законом Бойля, можно показать, что шкала у термометра, показанного на фиг. 75, б , должна быть такой же, как и у термометра на фиг. 75, а .

Фиг. 75. Газовый термометр.

а — в качестве меры температуры используется объем образца, газа при атмосферном давлении, ртутная капля работает как поршень с ничтожным трением, удерживающий газ в узкой трубке, расстояние до закрытого конца служит мерой объема, а следовательно, и температуры; б — в качестве меры температуры используется давление газа (гелия), занимающего постоянный объем.

Применение газового термометра

При градуировке газового термометра, показанного на фиг. 76, мы погружаем баллон в тающий лед и наносим на шкалу барометра отметку 0. Затем повторяем всю процедуру, заменив лед кипящей водой; получаем отметку 100. Пользуясь определенной таким образом шкалой, строим график зависимости давления от температуры. (Если угодно, давление можно выражать в единицах высоты столба ртути.) Затем через точки 0 и 100 проводим прямую линию и, если необходимо, продолжаем ее. Это будет прямая, определяющая температуру в газовой шкале и дающая стандартные значения 0 и 100 в точках таяния льда и кипения воды. Теперь газовый термометр позволит нам измерить температуру, если мы знаем давление газа в баллоне при этой температуре. Пунктирная линия на фиг. 76 показывает, как найти температуру воды, при которой давление газа составляет 0,6 м ртутного столба.

После того как мы выбрали газовый термометр в качестве стандарта, можно сверить с ним ртутный и глицериновый. Так было обнаружено, что расширение большинства жидкостей в зависимости от температуры, измеренной газовым термометром, несколько нелинейно Показания термометров двух типов расходились между точками 0 и 100, согласие в которых получается по определению. Но ртуть, как это ни странно, дает почти прямую линию. Вот теперь можно сформулировать «достоинство» ртути: «По газовой шкале температур ртуть расширяется равномерно» Это' удивительное совпадение показывает, что в свое время мы сделали очень удачный выбор — именно поэтому сейчас для непосредственного измерения температуры можно пользоваться обычными ртутными термометрами.

Фиг. 76. Газовая термометрия.

Абсолютная температура. Абсолютный нуль

Другое преимущество газового термометра — он указывает на наличие абсолютного нуля. Если мы охладим термометры, изображенные на фиг. 75, то в термометре а газ сожмется, а в термометре б давление упадет. Экстраполируя это поведение до еще меньших температур, мы наткнемся на абсолютный нуль , при котором газ приходит к нулевому объему в термометре а и нулевому давлению в термометре б . Если газы при уменьшении температуры действительно сохраняют свои свойства (чего на самом деле нет), нет надежды опуститься ниже абсолютного нуля или даже достичь его. Реальные газы превращаются в жидкости и затем в твердые тела раньше, чем охладятся до такой температуры, но это не мешает нам мечтать об абсолютном нуле как интригующем пределе. Его положение на обычной шкале Цельсия можно найти путем экстраполяции прямолинейной температурной зависимости газового термометра. Тщательные измерения с реальными газами показали, что абсолютный нуль следует поместить на шкале Цельсия приблизительно при —273 °C независимо от сорта газа. Попытки достичь этой температуры любыми способами охлаждения позволили подойти к ней довольно близко, но достичь ее не удалось. Дело в том, что этот предел вообще недостижим.

Фиг. 77. Температурная шкала газового термометра.

а — температура газа в ° С (по собственной шкале); б — абсолютная температура газа в ° К (по собственной шкале)

Те, кому приходится вычислять объем газа при какой-то фиксированной температуре из измерений, проведенных при других температурах [190] , используют эту прямую линию, проходящую через абсолютный нуль, чтобы свести задачу о расширении газа к простой пропорции наподобие следующей. Берем график температурной зависимости и перерисовываем его в новых осях с началом координат при —273 °C. Теперь температура отсчитывается, начиная с нуля в новом начале координат (это будет теперь «абсолютный нуль», или —273 °C). Новую температуру, отличающуюся от старой на 273°, мы назовем «абсолютной». Так мы отодвинули начало (но не сам график) на 273 единицы налево. Теперь наша прямая линия проходит через начало координат графика, где давление отложено по вертикальной оси, а абсолютная температура — по горизонтальной.

Давление газа, р , изменяется пропорционально абсолютной температуре Т . Для любых двух температур Т 1 и Т 2 :

p 1 / p 2 = T 1 / T 2

Воспользовавшись газовым термометром (фиг. 75, а ) или законом Бойля, мы находим, что для объемов V 1 и V 2 при постоянном давлении

V 1 / V 2 = T 1 / T 2

Этот закон верен для газов в области обычных температур, причем автоматически, ибо прямая линия проведена именно для определения температуры.

Фиг. 78. Зависимость давления газа (объем, постоянен) от абсолютной температуры ( а ) и зависимость объема газа (давление постоянно) от абсолютной температуры ( б ).

Если считать, что эта зависимость имеет место как при очень низких, так и при очень высоких температурах, то обнаружится, что разные реальные газы дают разные шкалы. Таким образом, мы должны вообразить идеальный газ — «излюбленный трюк теоретического мышления» — и пользоваться им для определения универсальной шкалы температур от абсолютного нуля до сколь угодно больших. При обычных температурах идеальный газ похож на большинство реальных, но не проявляет характерных особенностей своих «младших братьев», типа СО 2 , и продолжает следовать простым законам поведения газов даже тогда, когда реальные газы начинают отходить от него и даже сжижаться [191] .

Кинетическая теория и газовая температура

Кинетическая теория, которой мы верим благодаря успеху ее предсказаний, утверждает, что давление газа должно изменяться пропорционально средней кинетической энергии . Поскольку в газовой температурной шкале давление пропорционально абсолютной температуре, то, комбинируя эти два соотношения, получаем

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ МОЛЕКУЛ ~ АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА.

Поэтому температура приобретает простой смысл:

Абсолютная температура измеряет среднюю кинетическую энергию молекул газа [192] .

Общее понятие температуры

Наше понятие температуры приобрело теперь более определенные контуры. Но из опасения, что оно покажется слишком простым и вы будете догматически утверждать, что «настоящая температура — это средняя Кинетическая Энергия молекул», мы остановимся на обсуждении общего определения. Говоря по совести, мы не знаем, что такое температура, и, по-видимому, никогда не узнаем больше того, что она определена на основе избранной нами процедуры измерения [193] . Итак, выберем в качестве меры температуры произвольную физическую величину, которая обнаруживает разумные изменения при охлаждении и нагревании [194] . Измерим эту величину при таянии льда и кипении воды, отложим измерения на графике в точках 0 и 100 °C (или 273 и 373° абсолютной температуры), а затем проведем через эти точки прямую, определяющую шкалу температур. Пользуясь таким графиком, можно находить температуру по этой шкале.

Первые создатели термометров выбирали в качестве физического свойства сначала объем образца воды, затем спирта, а потом ртути. Позднее же остановились на давлении образца газа. Можно также воспользоваться электропроводностью, термоэлектричеством, разностью расширения двух металлов и т. д. Все это действительно используется, но во вторичных термометрах, не предназначенных для определения температурной шкалы. Шкала таких термометров калибруется путем сравнения со ртутным, который в свою очередь градуируется по газовому термометру.

При выборе физической величины критерием служит удобство проведения точных измерений, и страстному желанию найти истинную температурную шкалу суждено оставаться неудовлетворенным, если не обнаружится какого-либо универсального поведения, свойственного всем, а не только отдельным веществам (типа ртути) или газам. Самое удивительное, что это возможно. Сто лет назад Кельвин, изучая свойства идеальной тепловой машины (прародителя всех паровых машин, турбин и т. д.), придумал шкалу температур, взяв в качестве меры температуры нагревателя количество тепла, отбираемого такой машиной от нагревателя. На первый взгляд такая шкала не кажется ни слишком многообещающей, ни удовлетворительной, но она обладает замечательным свойством. Прежде всего шкала будет одной и той же независимо от конструкции машины и рабочего вещества (при условии, что машина идеальная, т. е. без трения и тепловых потерь из-за теплопроводности и т. п.). Хотя такую машину нельзя сделать, ее нетрудно вообразить благодаря простым и ясным условиям работы такой идеальной машины. Ее к.п.д., или, иначе говоря, эффективность превращения теплоты в полезную механическую работу (когда она работает как паровая машина), выше, чем у любой реальной машины. Но удивительно не это, а то, что к. п д. не зависит от устройства и рабочего вещества машины. Кельвин и др. доказывали эту независимость с помощью остроумных мысленных экспериментов. Основываясь на величине к. п д. (который, конечно, зависит от количества тепла, отбираемого от нагревателя), Кельвин построил «абсолютную термодинамическую шкалу температур». Наконец-то появилась шкала, не зависящая от индивидуальных свойств вещества! И что же, ученые признали ее за это? Ничуть. Ее приняли и используют теперь в качестве стандарта по совершенно другой причине — ввиду ее необычайной полезности. (Кроме того, она согласуется со шкалой газового термометра, что также облегчило ее признание!)

В «цилиндр» такой идеальной машины можно помещать самые различные вещества и, наблюдая за ее к.п.д., получить возможность замечательно предсказывать свойства выбранного вещества. Получаются удивительные и очень полезные соотношения. Так, если в цилиндр поместить смесь льда и воды, то полученное уравнение выразит изменение точки таяния льда, приходящееся на атмосферу давления, через плотность льда, плотность воды, теплоту, обеспечивающую таяние 1 кг льда, и температуру Т таяния. Изменение точки плавления трудно измерить экспериментально, а теперь можно вычислить по четырем другим легко измеримым величинам! Можно «заполнить цилиндр» излучением, тогда уравнение скажет нам, что поток излучения от нагревателя пропорционален Т 4 , где Т — абсолютная температура в новой шкале. (Эта формула полезна для измерения температуры Солнца.) Поместив в цилиндр рой электронов, можно найти соотношение, которое полезно для расчета радиоламп! Подобная игра с воображаемым помещением в цилиндр различных веществ и получением полезных соотношений для них носит название термодинамики . С помощью термодинамики получаются результаты, важные для техники, химии, атомной физики и астрономии. Однако все результаты выражены через температуру в собственной шкале термодинамики — абсолютной термодинамической шкале Кельвина. Эти результаты были бы бессмысленными, если бы не открытое Кельвином совпадение шкалы идеальных машин со шкалой газового термометра. Поэтому в качестве стандарта и в целях практической точности мы пользуемся теперь газовыми термометрами и все термодинамические предсказания выражаем именно в этой шкале. В честь Кельвина комбинация шкалы идеальных машин и газовой шкалы названа шкалой Кельвина и обозначается °К. Итак, после долгих безнадежных попыток найти абсолютную температуру наш корабль бросил якорь в твердый грунт универсальности.

Интересные температуры

На фиг. 79 на столбце А отмечены некоторые интересные температуры в градусах Кельвина. Очень низкие температуры здесь как бы сгрудились около абсолютного нуля. Такого сгущения и обрыва температур у 0° К удается избежать применением логарифмической шкалы (столбец Б ).

Для большинства людей абсолютный нуль, когда они впервые сталкиваются с ним, кажется странным ограничением, а некоторых он просто раздражает. Шкала Кельвина дает тот же абсолютный нуль, что и газовая, но термодинамические рассуждения показывают, что мы вряд ли сможем надеяться достичь его. Температур ниже абсолютного нуля либо не существует совсем, либо они не имеют обычного смысла [195] . Это ограничение кажется парадоксальным, но парадокс исчезает, когда мы пытаемся экспериментально достичь очень низких температур. Чтобы охладить материал от 100 до 10° К (т. е. примерно от температуры жидкого воздуха до температуры жидкого водорода), требуется много труда и денег. Столько же требуется и для охлаждения его еще ниже, от 10 до 1° К, столько же для охлаждения от 1 до 0,1° К и от 0,1 до 0,01° К, так что с точки зрения растущей стоимости абсолютный нуль кажется практически недостижимым.

В этой истории стоимости мы учли и усовершенствования, которые могут уменьшить трудности. Но почему бы вместо чисел 100, 10, 1, 0.1… не использовать какие-то другие, более показательные в смысле равномерности трудностей? Можно, взяв логарифм, одинаковые множители 1 / 10 превратить в одинаковые шаги , т. е. брать lg 100, lg 10, lg 1, lg 0,1 и т. д., которые равны 2, 1, 0, —1 и т. д., когда в старой шкале температура все меньшими и меньшими шагами подползает к нулю, а логарифм все дальше и дальше бесстрашно опускается вниз: 2, 1, 0, —1, —2, —3 и т. д. до минус бесконечности. Старый «абсолютный нуль» будет теперь «минус бесконечностью» и кажется совсем недостижимым. Именно эта логарифмическая шкала, в которой так удобно размещаются очень низкие температуры, изображена на столбце Б фиг. 79.

Но вправе ли мы использовать логарифм в качестве указателя туры? А на каком основании мы на нашем исходном графике температур пи просто давление? Мы же могли взять и ( давление ) 2 и √( давления ) или, как сейчас, lg ( давления ). Сделано это было исключительно из соображений простоты и удобства. Мы и сейчас продолжаем основываться на давлении . Логарифмическая шкала не используется нами, а нарисована здесь просто чтобы помочь вам в ваших размышлениях над температурой.

Фиг. 79. Шкала температур.

А — абсолютная (Кельвина), Б — логарифмическая.

Температура — искусственное понятие

Вернемся теперь к нашим рассуждениям о температуре. Начав с грубой идеи и ощущений, мы пришли к определенному понятию температуры, предписав способ ее измерения. На первый взгляд все это выглядит так, как будто бы и шкала, и все прочее — не прочная наука, а лишь плод нашего воображения. Между тем это не так. Мы можем изготовлять настоящие термометры и с пониманием и пользой применять их. Мы можем создавать теоретические системы и получать хорошие предсказания на языке определенной шкалы. И все же сама температура или ее выбор остается концепцией нашего ума с возможностью любого выбора температурной шкалы. Далеко не все физические величины, которые мы измеряем и которыми пользуемся в науке, выглядят столь искусственно. Некоторые кажутся очевидными, давно известными. Способы их измерения подсказывает наш здравый смысл. Возьмем, например, длину . Имеется ясное представление о длине и нет нужды в ее научном определении. Единицы измерения, конечно, произвольны, и это иногда приводит к путанице из-за плохого определения: единиц длины, но как только единицы установлены, процесс измерения длины кажется очевидным. Таких величин, которые сама Природа обеспечила системой измерения (наподобие длины), довольно много: площадь, число пальцев, возможно, плотность , по-видимому, вес . Но некоторые критикуют эту точку зрения, заявляя, что все измерения заключают в себе неявные предположения и определения. По их мнению, все понятия, лежащие в основе измерения:, должны быть, подобно температуре, плодом нашего собственного изобретения.

С термометром на ракете

На прощание несколько слов об одном практическом вопросе. Межконтинентальные путешествия будут происходить на ракетах. Ракетные корабли с большой скоростью будут двигаться в атмосфере Земли, причем бóльшая часть пути будет приходиться на разреженную атмосферу и снижаться корабли будут в точке назначения. Какова же будет температура внутри корабля во время полета ! Она будет зависеть от внешних условий и системы кондиционирования воздуха. Какова будет температура снаружи? На промелькнувшем в иллюминаторе термометре, подвешенном на воздушном шаре, будет очень низкая температура (особенно если термометр защищен от солнечного света), вероятно, что-то вроде —50 °C. На прикрепленном снаружи термометре, движущемся вместе с кораблем., температура будет около 10 000 °C. Почему?

 

Глава 28. Мощность

Мощность — это скорость передачи энергии:

МОЩНОСТЬ = ПЕРЕДАННАЯ ЭНЕРГИЯ / ВРЕМЯ = ΔE/Δt

Энергия проявляется во многих формах, и ее переходы с одного места на другое или из одной формы в другую имеют для нас огромное значение. Плата за энергию — важнейшая статья наших расходов, поэтому мы должны знать, каков переход энергии, и мерой этого служит произведение сила на расстояние в разнообразных единицах: джоулях, кГм и т. д. Чтобы осуществить такой переход, нам нужны машины: бензиновый двигатель, паровая турбина, электромотор, фейерверк, человеческое тело. Машины осуществляют нечто большее, нежели простой перенос энергии с одноного места на другое, как в случае системы блоков, гидравлических прессов, рычагов. Но нам еще хочется знать, насколько быстро машина передает (или может передавать) энергию. Здоровый человек, например, каждую секунду переводит из химической формы в механическую около 7 кГм энергии, полученной в виде пищи, когда он поднимает грузы. Такая способность может поддерживаться в течение нескольких часов. Если же он попробует работать в 10 раз быстрее, т. е. будет превращать ежесекундно из химической формы в механическую 70 кГм энергии, то сможет работать так не более нескольких минут. Чем бы его ни кормили, человек вскоре так устанет, что уже не сможет продолжать работу. Если же он попытается работать еще быстрее (скажем, 700 кГм за секунду), то из этого просто ничего не выйдет, его мышцы откажутся выполнять работу с такой скоростью. Паровые машины, когда их заставляют работать слишком быстро, становятся более расточительными. Электромоторы, мало потребляющие на холостом ходу, очень эффективны при средней нагрузке и останавливаются с воем при перегрузке. Вообще каждая машина имеет предел скорости, с которой она может превращать энергию. Ниже этого предела обычно имеется область оптимальных рабочих скоростей, которая должна быть известна тем, кто эксплуатирует машину.

При постоянной работе любой «машины» (например, электромотора, электролампы или паровой машины) скорость превращения энергии говорит, как часто придется оплачивать счета за электроснабжение или топливо. На каждом электроприборе (лампах, кипятильниках и т. д.) проставлена скорость потребления энергии, т. е. сколько они потребляют энергии не вообще, а в секунду, и в соответствии с этим мы производим наш выбор. Эту скорость превращения энергии мы и называем мощностью.

Единицы мощности

Передачу энергии мы измеряем в ньютонах на метры (т. е. в джоулях), а время, необходимое для передачи, — в секундах; следовательно, мощность, или передачу энергии/время, — в ньютон∙м/сек, или дж/сек.

Один дж/сек — очень полезная единица, поэтому ей дано собственное имя — ватт (вт). Однако это лишь другое название. Никаким экспериментом нельзя доказать, что 1 вт равен 1 дж/сек, поскольку это верно по определению. В качестве более крупной единицы мы используем 1 киловатт (1 квт), который равен 1000 вт. Здоровый мужчина, взбегая по лестнице или влезая по веревке, может в течение нескольких секунд превращать химическую энергию в потенциальную энергию со скоростью 1 квт. Мощный электронагреватель, пока он включен, может превращать электрическую энергию в тепло со скоростью 1 квт. Если энергия измеряется в 1 кГм, то в качестве единицы мощности мы берем 1 кГм/сек. Измерения показали, что сильная лошадь, поднимающая грузы, способна в течение значительного времени превращать энергию своего питания в полезную механическую энергию со скоростью 75 кГм/сек. Эта скорость стала основой технической единицы мощности «1 лошадиная сила» (1 л. с), определяемой как 75 кГм/сек. Ее величина фиксирована, хотя лошади бывают разные и большинство из них не может работать в таком темпе.

Прогресс паровых машин от первого промышленного применения в 1700 г. и почти до современного вида, которого они достигли к 1800 г., в значительной степени обязан работам Джемса Уатта (Watt). Вот почему единица мощности названа его именем. Уатт ввел в качестве единицы мощности лошадиную силу в те времена, когда лошади приводили в движение насосы, железнодорожные вагоны и другие механизмы. Как правило, эта единица неудобна, но ею пользуются до сих пор, за исключением того случая, когда предусмотрительный заказчик задает вопрос: «Если я куплю одну из ваших машин, сколько она заменит лошадей?».

Задача 1. Лошадиная сила (л. с.)

Лошадь, с которой экспериментировал Уатт, передвигаясь со скоростью 6 м/мин, тянула веревку, которая через блок шла к грузу весом 68 кГ, опущенному в шахту.

а) Покажите, что эти измерения приводят к уаттовской единице л. c., равной 75 кГм/сек.

в) При непрерывной работе эта единица переоценивает лошадиные возможности. Была ли в этой связи мощность одной из первых машин Уатта, равная 3 л. с, больше или меньше буквального номинала?

Ниже мы приводим список единиц энергии и соответствующие им единицы мощности:

Энергия… Мощность

1 джоуль (дж)… 1 дж/сек = 1 вт

1 килограммометр (кГм)… 1 кГм/сек

1 киловат∙час (квт∙ч)… 1 л.с. = 75 кГм/сек; 1 квт = 1000 вт

Задача 2

а) Покажите, что 1 дж ~ =  1 / 10 кГм.

б) Покажите, что 1 л. с. равна примерно 3 / 4 квт. Приняв 75 кГм/сек за 1 л. с., найдите ее величину в ваттах. (Выразите 75 кГ в ньютонах и 75 кГм в джоулях.)

Задача 3

Альпинист весом 75 кГ за 10 сек поднимается вертикально вверх по веревке нa высоту 6 м.

а) Какую он приобретает потенциальную энергию?

б) Какова его полезная мощность, т. е. скорость, с которой химическая энергия превращается в полезную потенциальную энергию? Выразите ее в л. с . и в квт .

Примечание . Инженеры часто говорят о «лошадиных силах» машины или даже человека, имея в виду мощность, выраженную в л. с. Это вульгаризация наподобие «быстроты скорости»; таким способом бывает полезно выражать максимальную мощность, развиваемую машиной.

Коэффициент полезного действия (к. п. д.)

Вычисленная в задаче 3 мощность — это скорость увеличения потенциальной энергии человека, которую он может затем использовать с помощью веревки и колес для выполнения некоторой работы, скажем поднимания кирпичей. Взбираясь по веревке, человек превращает запас своей химической энергии в потенциальную, но мощность, с которой он высвобождает химическую энергию, оказывается гораздо больше, так как при этом выделяется еще значительное количество тепла. Количество израсходованной химической энергии можно установить, собрав выдыхаемый альпинистом воздух и измерив его объем и содержание СО2.

Эти данные позволяют вычислить потребность в питании, что в свою очередь может характеризовать полную мощность, развиваемую при подъеме. Для любой машины отношение полезной мощности на выходе к полной мощности на входе называется коэффициентом полезного действия (сокращенно к. п. д.). Альпинист, поднимающийся по веревке, по-видимому, растрачивает большую часть своей энергии в виде тепла. Если рассматривать альпиниста как машину для поднятия груза (самого себя) за счет энергии питания, то к. п. д. его, по-видимому, очень мал.

Задача 4

Физиологические измерения показывают, что поднимающийся по канату альпинист затрачивает дополнительно энергию в виде тепла (сверх обычной потребности) со скоростью по меньшей мере 220 кГм/сек. Приняв эту оценку, вычислите его к.п.д. (Это неточный расчет, так как для поддержания жизнедеятельности рацион питания человека рассчитывался на 24 часа. Поскольку при дополнительном рационе он поднимается по веревке лишь малую долю времени из 24 часов, то его общий к п.д. будет гораздо меньше. Если сравнишь человека, занятого тяжелым ручным трудом, с человеком, не занятым им, то окажется, что первому требуется дополнительное питание, причем в 3–6 раз больше, чем, казалось бы, требует выполняемая работа. К.п. д, человека при выполнении работы за счет дополнительного питания в лучшем случае составляет 25 %.

Электромотор берет из электрической сети большую мощность, нежели отдает приводимому в движение механизму. Разница связана с выделяемым в моторе теплом. К.п.д. большого мотора может составлять до 90 %. Электромотор — это искусный передатчик энергии. При малой нагрузке он потребляет из сети малую мощность. Если же его нагрузить, то он, продолжая вращаться с той же скоростью, соответственно потребует большую мощность. Полезную мощность мотора можно измерить механически, а полную мощность найти из показания вольтметра и амперметра. Позднее мы покажем, что при определенном способе присоединения амперметра и вольтметра мощность на входе в ваттах находится из произведения

ПОКАЗАНИЕ АМПЕРМЕТРА (в амперах) ∙ ПОКАЗАНИЕ ВОЛЬТМЕТРА (в вольтах)

Для лабораторных работ считайте, что эта формула правильна.

Более подробно о ней мы скажем позднее.

Животным свойственна большая способность к перегрузке, но, с другой стороны, они очень экономичны при малой нагрузке. В течение короткого времени лошадь можно заставить давать больше 1 л. с. А если она работает каждый день, но с затратой долей лошадиной силы, то ей соответственно будет требоваться меньше корма.

Мощность в человеческой деятельности

В приведенной ниже табл. 3 даны результаты измерения скорости превращения химической энергии здоровым человеком при различных видах деятельности. Они получены измерением выдыхаемого СО2, так что представляют общий расход питания, а не просто «полезную мощность».

Составляя расписание «типичного дня», мы с помощью этих данных можем найти полную потребность в питании. Она весьма индивидуальна. Для энергичного здорового студента она составляет от 3300 до 4900 Кал/день, а для студентки — 3000–8300 кал/день. Вычисленный из этих данных дневной рацион должен соответствовать полной затрате топлива в виде питания за тот же период. Это проверялось путем взвешивания пищи и измерения «топливного эквивалента» этой пищи. Допуская 5 %-ную потерю пищи — топлива, получали, что дневной рацион на 1–8 % превышает потребление энергии, найденное по выделению СО2. Для столь сложных измерений это прекрасное согласие.

Тяжелая физическая работа вызывает необходимость в дополнительном питании. Вот данные для заводских рабочих США. Чтобы увидеть, на что способен человек, возьмем из табл. 4 найденные для тяжелой работы 410 вт, вычтем из них 90 вт низшего уровня (см. табл. 3), тогда на саму работу останется 320 вт. Примем, что к. п. д. рабочего 25 % (цифра довольно оптимистическая). Тогда полезная мощность составляет 25 % от 320, или 80 вт. Таким образом, одного человека, если он будет получать достаточное питание, хватит лишь на то, чтобы крутить генератор для питания 80-ваттной лампочки (в течение 8-часового рабочего дня).

Некоторые люди способны постоянно выдавать по 100 вт, другие же — меньше 80 вт. Для цивилизаций, в которых сила раба использовалась как основной двигатель в строительстве и т. п., мощность одного человека можно было бы считать равной 90 вт, или 1/8 л. с.

Задача 5

Какой мощности лампочку мое бы обеспечить человек, работая ежедневно от 4 часов дня до полуночи, если бы он крутил подходящий генератор, к. п. д. которого при превращении механической энергии в электрическую составляет 80 %?

Вы сами можете вычислить свою «полезную» мощность, замечая время подъема по лестнице. Получится довольно высокая оценка, но это порыв, который нельзя поддерживать длительное время. Можно также оценить свою полезную мощность при постоянной работе, решив, с какой скоростью вы сможете влезать по бесконечно длинной лестнице в течение многих часов. Поднимая свой вес, вы запасаете потенциальную энергию, а движение по горизонтали и энергия из-за трения ног о пол порождают теплоту. Это, очевидно, бесполезные растраты, так что горизонтальную часть пути мы не учитываем. Кроме того, нам неизвестны силы, препятствующие горизонтальному движению, и их трудно оценить даже грубо.

Задача 6

Человек весом 70 кГ, взбегая вверх по лестнице высотой 9 м, проходит по горизонтали 12 м и по наклону 15 м.

1) Вычислите полезную мощность превращения энергии питания в потенциальную энергию в кГм и в л. с.

2) Если к. п. д. мышц человека составляет 25 %, то на тепло растрачивается мощность в 3 раза больше полезной. Какая полная мощность необходима для вертикального движения?

(В этих расчетах вам следует пользоваться высотой, а не длиной по наклону, так как горизонтальная часть движения не учитывается.)

Фиг. 80. К задаче 6.

Задача 7

В задаче 6 человек все же тратит некоторую мощность на горизонтальное движение. Используя изложенные ниже предположения, сделайте очень грубую оценку этих потерь. Когда человек ставит ногу на ступеньку, то он немного притормаживает. Энергия из-за трения ботинок о пол превращается в теплоту и пропадает.

За 10 сек человек, взбираясь вверх на высоту 9 м, проходит по горизонтали, 12 м. Предположим, что лестница имеет 60 ступенек (каждая высотой 15 см), тогда длина каждого, шага будет 20 см. Ботинок не может скользить все 20 см, но небольшого скольжения избежать нельзя (если специально не устранить это как-то). Допустим, что при каждом шаге человек проскальзывает примерна на 2–4 см (проверьте это сами). Сила трения, препятствующая скольжению, по-видимому, не может быть больше нескольких килограммов.

Предположим, что она составляет 1–2 кГ.

а) Сколько энергии тратится из-за этого трения на выделение теплоты за 10 сек?

б) Какова мощность этих затрат?

в) Если само тело выделяет теплоту, в 3 раза превышающую внешние затраты, то какова полная мощность, выделяющаяся при горизонтальном движении?

Фиг. 81. К задаче 7.

Задача 8

Подсчитайте собственную мощность при подъеме по лестнице. Ответьте на следующие вопросы, введя правдоподобные предположения или проделав простейшие опыты.

1) Какова высота ступеньки?

2) На сколько ступенек вы смогли бы подниматься каждую минуту, если бы вам предстояло подниматься много часов?

( Примечание . Вы, по-видимому, переоцените свои возможности, если не проведете грубой проверки или не вспомните о восхождении на гору.)

3) Какова была бы ваша полезная мощность в кГм/сек и л. с. при поднятии с этой скоростью?

Единицы мощности

Приближенное понятие о масштабе некоторых единиц можно получить, представив себе животное, которое способно карабкаться вертикально вверх с единичной мощностью (1 вт составляет примерно 1/10 кГм/сек, так что нам нужно найти животное весом около 1/10 кг, способное взбираться со скоростью 1 м/сек. Это могла бы быть небольшая белка, и 1 вт можно было бы назвать беличьей мощностью, a 1 квт — уже обезьяньей). Мощность небольших электромоторов, используемых в быту, колеблется от 1/100 до 1/2 л. с. А номинальная мощность промышленных двигателей — от 1/2 л. с. до десятков тысяч лошадиных сил. Номинальная мощность, указанная в паспорте электромотора, показывает, на какую максимальную мощность при соответствующем питании он способен. Электромотор может отдавать и больше, но будет перегреваться.

На некоторых электромоторах мощности указаны в л.с., а на других — в квт. Как же сравнить эти две единицы. Сделаем грубый расчет:

1 л. с. = 75 кГм/сек,

1 кГ = 9,8 ньютон ~= 10 ньютон,

следовательно,

1 л. с. = 75∙9,8 дж/сек ~= 750 дж/сек,

т. е.

1 л. с. ~= 0,75 квт = 3/4 квт

— очень удобное для инженеров число.

Цель приведенных ниже опытов — дать вам возможность почувствовать, что такое мощность и каковы единицы ее измерения, а также помочь в некоторых случаях установить свою собственную полезную мощность.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ОПЫТЫ

Опыт 1. Измерение собственной мощности — превращение энергии питания в полезную механическую работу .

1) Попробуйте взбежать вверх по лестнице (один пролет) с предельной быстротой.

2) Попробуйте взбежать вверх по очень высокой лестнице (один пролет) с предельной быстротой.

3) Поднимитесь по лестнице (один пролет) со скоростью, которую, по вашему мнению, вы сможете поддерживать в течение нескольких часов.

…???… денных ниже единиц (в большинстве лабораторных опытов перевод результата в другие единицы — простая трата времени на арифметику, но здесь несколько единиц необходимы — свою собственную мощность полезно знать):

а)  кГм/сек,

б)  лошадиные силы,

в)  дж/сек (ватт),

г)  для заданий 3 и 5 — в Кал за 8-часовой рабочий день.

Опыт 2. Измерение полезной мощности бунзеновской горелки при нагревании водя в кружке.

1) Наполните кружку водой и нагревайте ее в течение 1 мин. Сделайте необходимые измерения для вычисления количества тепла, сообщенного воде:

ТЕПЛОТА = МАССА ВОДЫ ∙ ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

…???… тают наиболее горячим). Объясните результаты.

Опыт 3. Если возможно, проверьте или используйте «топливный калориметр» для измерения полной теплоотдачи бунзеновской горелки или полной теплоотдачи при сгорании кусочка угля.

Опыт 4. Измерьте мощность электрокипятильника, а) используя вольтметр и амперметр [200] , б) нагревая им воду. (Воспользуйтесь уже собранной схемой из приборов и нагревателя, а позднее соберите ее сами.)

Оба измерения можно проводить одновременно. Показания приборов можно снимать одновременно с нагреванием воды, когда нагреватель, скажем, в течение 2 мин будет находиться в сосуде с водой. Выразите мощности в ваттах и объясните, чем различаются эти две величины.

Опыт 5. Определение полезной мощности и к. п. д. электромотора.

Пусть электромотор не выполняет полезной работы, которая затруднит измерения, а просто крутит колесо с тормозным ремнем (см. ниже). Подсчитайте его мощность на выходе в кГм/сек и ваттах . Показания амперметра и вольтметра (пока воспользуйтесь собранной схемой) дадут нам величину полной мощности, поступающей из сети. Найдите ее. Подсчитайте к. п. д. мотора.

( Примечание . Если вы хорошенько подумаете, то поймете, что к. п. д. мотора не может быть величиной постоянной, характерной для мотора при любой нагрузке. Каков, по-вашему, к. п. д. при холостом ходе, без нагрузки? А что вы получите, если мотор так нагрузить, что он вообще не сможет вращаться?)

Применение тормозного ремня для измерения мощности

Чтобы измерить мощность человека, мы можем заставить его вытягивать груз с помощью длинной веревки (фиг. 82) или использовать систему блоков и большой груз, но все это сложно.

Фиг. 82.

Удобнее устройство, заменяющее висящий груз трением тормозного ремня о колесо или барабан. Одно из таких устройств показано на фиг. 83. В других используется велосипедная рама, а человек крутит педалями заторможенные колеса.

Фиг. 83. Тормозной пояс для измерения мощности.

Когда при вращении колесо трется о ремень (тормоз), переход энергии (из сообщаемой колесу механической формы в теплоту тормоза) определяется выражением Работа  = ( Сила )∙( Расстояние ), а при одном обороте Работа = ( Длина окружности )∙( Разность натяжений ). Система с закрепленными пружинными весами эквивалентна системе с фиксированными грузами, перекинутыми через блоки, а это эквивалентно подниманию колесом груза ( F 1 — F 2).

Ременный или веревочный пояс ABCDE оттягивается вверх пружинными весами Х 1 и Х 2 , так что он туго прижимается к нижней половине окружности обода колеса. Человек крутит колесо за рукоятку. Пружинные балансы препятствуют движению ремня вместе с колесом, и он трется о колесо по полуокружности BCD , мешая движению. Участок DE , натяжение которого измеряется весами  Х 1 , сильно тянет в сторону, противоположную движению колеса. На участке АВ натяжение, измеряемое весами Х 2 , способствует движению. Если эти натяжения равны F 1 и F 2 , то результирующая сила будет равна их разности F 1 — F 2 .

Когда колесо совершает один оборот, длина его окружности 2π R целиком проходит под ремнем, преодолевая силу трения ( F 1 — F 2 ). Для человека, крутящего колесо, ситуация будет такой, как если бы пояс, оттягиваемый грузами  F 1 и F 2 , двигался вместе с колесом. А это было бы эквивалентно наматыванию на колесо веревки с грузом ( F 1 — F 2 ), который заставляет человека затрачивать при каждом обороте энергию 2π R ∙( F 1 — F 2 ). Вернемся теперь к реальному устройству с пружинными весами, показывающими силы F 1 и F 2 .

При каждом обороте человек должен затрачивать энергию, равную

(ДЛИНА ОКРУЖНОСТИ 2π R ) ∙ (РАЗНОСТЬ НАТЯЖЕНИЙ F 1 — F 2 )

Используя этот результат с учетом числа оборотов колеса и показания весов за определенный промежуток времени, мы можем вычистить мощность, превращаемую при торможении в теплоту. Хотя тормоз превращает эту мощность в бесполезное тепло, она могла бы быть полезной, если бы ремень был прикреплен к колесу и поднимал груз. Таким образом в подобной схеме измеряется «полезная» мощность.

Задача 9

Перепишите и дополните следующие утверждения:

( Пример. 1 узел — это единица скорости. Она равна 1 морской миле в 1 час.)

а) 1 джоуль — это единица ___. On равен 1 ___.

б) 1 ватт — это единица ___. On равен 1 ___.

в) 1 киловатт — это единица ___. Он равен 1 ___.

(напишите числа и единица, выраженные в секундах, метрах, ньютонах, джоулях и т. д.).

г) 1 вт∙сек означает 1 вт х 1 сек, следовательно, это та же, что и 1 ___? Поэтому 1 вт∙сек есть единица ___.

д) 1 квт∙час есть единица ___.

Он равен ___ (напишите числа и единицы, выраженные в секундах, метрах, ньютонах, джоулях и т. д.)

Задача 10

Обычная цена электроэнергии составляет 4 коп. за киловатт∙час. Если бы дневной рацион 3300 Кал можно было принять в виде электричества, то во сколько бы вам обошелся день? ___

Задача 11. Диета и энергия

Сейчас в некоторых частях света средний рацион составляет меньше 2000 Кал в день, а в других 3300 Кал. Эти числа найдены из полной энергии, полученной при переваривании пищи. Других источников снабжения энергии для поддержания работы тела нет, за исключением материалов самого тела, жира и т. д.

Для исследования вопроса о голодном рационе проделайте следующие вычисления. (Считайте, что 1 Кал = 1 ккал = 4200 дж.)

а) Единицы: перевод рациона в другие единицы

Превратите 2000 Кал в день в другие единицы. (Заметьте, что это мощность.)

( Указание . На вопросы, отмеченные звездочкой, дайте приближенный ответ.)

2000 Кал/день = ___ Кал/сек (не делайте сокращений, оставьте результат в виде сомножителей) = ___ дж/сек (не сокращайте) = (приблизительно) = ___ дж/сек, или вт.

Здоровый человек может растратить эти 2000 Кал/день в виде тепла своего тела, так что трудно установить, сколько дополнительной энергии из этих 2000 Кал можно истратить на полезную механическую работу. Однако, чтобы выяснить положение человека, живущего на таком рационе, проделайте требуемые ниже вычисления.

б) Минимальный рацион

Спящий человек затрачивает в среднем на поддержание жизни (работы сердца, легких и т. д.) и согревание около 75 вт, тогда как уже при простом спокойном сидении ему нужно 120 вт. Какое снабжение пищей необходимо для такого человека, если он 8 часов в сутки спит, а остальные 16 часов спокойно сидит? * ___ Кал/день.

в) Голодный рацион

Допустим, что рацион человека составляет 2000 Кал/день, причем 3 / 4 этого рациона уходит на поддержание жизнедеятельности организма, а остающаяся 1 / 4 , 500 Кал, может быть затрачена на другую деятельность. (Сомнительно, чтобы этих 3 / 4 было достаточно. По-видимому, человек будет растрачивать свой жировой запас, а затем даже что-то менее безопасное.)

1) Сколько часов в день сможет он медленно брести по дороге, если эта дополнительная деятельность требует еще 100 вт?

___ часов в день.

2) По скольку часов в день он может затрачивать мощность 1 / 8 л. с. для полезной работы? Считайте, что  1 / 8 л. с. ~= 100 вт и что 300 вт уходит на тепловые потери во время этой полезной работы. * ___ часов в день.

г) Хороший рацион

Допустим, что ваш рацион составляет 8300 Кал/день; 2000 Кал вы используете на обычную жизнь (еду, сон, прогулки и т. д.). Допустим, что остальные 1300 Кал используются для такой деятельности, как рытье канав или поднимание грузов.

1) Предположим, что ваша деятельность требует полезной мощности 200 вт (~= 1 / 4  л. с.) и сопровождается тепловыми потерями 600 вт. Сколько часов в день вы сможете работать, тратя 1300 Кал? * ___ часов.

2) Крутя заторможенное колесо в лаборатории, найдите собственную полезную мощность. Допустим, что ваш к. п. д. равен 25 %, так что на дополнительное растрачиваемое тепло уходит в 3 раза больше, чем на полезную работу. Сколько часов в день такой работы обеспечивают вам 1300 Кал (с учетом затрат)? * ___часов.

3) Если бы все 1300 Кал вы могли затратить на подъем по лестнице, превратив их в потенциальную энергию без тепловых затрат, то сколько 5-метровых лестничных пролетов могли бы вы преодолеть за день? (Для этой оценки воспользуйтесь своим собственным весом.) * ___ пролетов.

4) Предположим, что ваш к. п. д. составляет 25 %. Сколько таких же пролетов вы сможете преодолеть, получая 1300 Кал в день? * ___ пролетов.

 

Глава 29. Экспериментальные основания закона сохранения энергии

Рассмотрение расхода топлива и механическое правило

РАБОТА = СИЛА ∙ РАССТОЯНИЕ

привели нас к определенному понятию — энергии, изменение которой измеряется работой. Было установлено также, что энергия всегда сохраняется. Мы констатировали этот принцип или, скорее, просто приняли его, приведя ряд простых примеров. Все это было сделано для того, чтобы вы поняли, что такое энергия, прежде чем мы начнем говорить об ее удивительной истории.

Экспериментаторам прошлого нелегко было выпутаться из множества форм энергии и составить этакий «балансовый отчет». Вскоре после того, как Ньютон показал важность величины mv для механики, были высказаны предложения, что измерять эффект силы лучше величиной mv2. Ей было дано энергичное имя vis viva — «живая сила», тогда как mv было названо просто импульсом. Тогда, в XVII веке, были даже две соперничающие школы: одни яростно защищали mv, а другие — mv2. Однако позднее стало всем ясно, что полезны обе величины: прирост mv — это (сила)∙(ВРЕМЯ), а прирост mv2 — удвоенная (сила)∙(РАССТОЯНИЕ).

Машины

Произведение сила на расстояние уже давно играло важную роль в примитивных механизмах прошлого. Бессознательно им пользовались еще создатели первых машин, а Леонардо да Винчи (~1500 г.) уже ясно писал о нем. При расчетах колес, блоков, прессов и т. д. эти произведения «по обе стороны» устройства принимались равными, за вычетом некоторых затрат на трение. Если мы разность затраченной и полученной работы назовем изменением энергии, то идеальные механизмы (без трения) сохраняют ее. Гарантией служит эксперимент — либо непосредственное измерение на механизмах (с учетом потерь из-за трения), либо косвенное заключение из опытных правил для рычагов, гидравлических прессов и т. д.

Экспериментальное основание обязательно должно существовать. Кабинетный ученый не может гарантировать, что для равновесия детских качелей-весов F1∙(плечо1) будет равно F2∙(плечо2) (откуда можно заключить, что работы по обе стороны равны). Даже если он объявит, что его рассуждения делают это заключение весьма правдоподобным, в этом обязательно будет отголосок «лабораторных работ», выполненных им когда-то в юности.

Вечные двигатели

Комбинирование простых механизмов в сложную схему не дает надежды получить энергии больше, чем затрачено. Неудачи с вечными двигателями привели к убеждению о сохранении энергии в ограниченном механическом смысле. В своем труде «Маятниковые часы» (1673 г.) Гюйгенс, современник Ньютона, предупреждал:

«Когда любое количество грузов силой их притяжения в движение приведено, то общий центр тяжести, по-видимому, не может подняться выше того места, кое он занимал до начала движения… Когда бы строители новых машин, пустые попытки построить вечный двигатель предпринимающие, с этим принципом познакомились, они бы лучше свои ошибки видели и совершенную невозможность сделать оный механическим способом поняли бы».

Потенциальная энергия + кинетическая энергия

Закон рычага применим к уравновешенным качелям-весам как в покое, так и в движении. Когда на одном конце мальчик-толстяк с постоянной скоростью опускается вниз, на другом худенький мальчик взлетает вверх; действует закон рычага и, следовательно,

РАБОТА НА ВХОДЕ = РАБОТА НА ВЫХОДЕ.

Нетрудно нарушить этот закон. Подвиньте толстяка поближе к краю, тогда качели будут ускоряться и худенький мальчик взлетит вверх, а толстяк стукнется о землю. Если рассматривать вес мальчиков как силу на входе и на выходе, равенство (работа на входе) = (работа на выходе) уже не будет соблюдено — толстяк вносит больше, чем забирает худенький мальчик. Но нам нет нужды отказываться от закона сохранения энергии. Можно придумать другую форму, кинетическую энергию, Eкин, и вычислять ее по правилу Eкин = 1/2 mv2, полученному из комбинирования F = m∙a и определения (paбота) = F∙s. В начале XIX века сохранение энергии означало, что сумма

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ изменение которой равно (сила)∙(расстояние) + КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ величина которой равна 1/2 mv2

постоянна (для идеальных механических систем). Этот закон полезен для решения задач физики и техники. На деле он состоит из II и III законов Ньютона и предположения, что силы складываются как векторы. Поэтому он основан на эксперименте в той же степени, что и II закон: F = m∙a. Это выявляет важную характеристику таких механических систем, о которой было известно уже в давние времена: изменение энергии при любых движениях не зависит от выбранного пути. Пусть, например, груз от двери сарая А переносится в дальний угол его чердака В. Как бы мы ни перемещали его:

— сначала подняли вверх, а потом переместили по горизонтали,

— сначала по горизонтали, а потом вверх,

— или вверх по наклонной плоскости,

— или по какой-то причудливой кривой (с помощью блоков),

— или даже сначала подняли над крышей, а затем опустили на чердак,

прирост потенциальной энергии (Eпот) будет тем же самым.

Чтобы показать, как это следует из закона сохранения энергии, рассмотрим перемещение из А в В по двум путям, причем будем начинать и кончать состоянием покоя, трением пренебрежем.

Перенесем груз из А в В по пути I, а затем назад по пути II. Возвратившись в начальную точку А, мы пришли к той же потенциальной энергии. Следовательно, затраты на путях I и II одинаковы. В противном случае мы могли бы создать вечный двигатель, перемещая груз вверх по одному пути, а вниз — по другому и получая при каждом цикле прирост энергии.

Поверив в сохранение энергии, мы видим, что правило Галилея о наклонной плоскости очевидно; каков бы ни был наклон, масса М, сталкиваемая с высоты h, теряет потенциальную энергию, равную Mgh, и приобретает кинетическую энергию, равную 1/2 mv2. Если нет потерь на трение, то эти два изменения должны быть сбалансированы, Mgh = 1/2 mv2. Тогда скорость v = √(2gh) — одна и та же при любом наклоне высотой h, как отвесном, так и отлогом, как прямом, так и искривленном. Так что опыт Галилея был фундаментальной проверкой закона сохранения энергии.

Если математикам «дать» Солнце и планету при некотором начальном условии, то они смогут предсказать орбиту планеты. Один из наиболее простых способов — это написать уравнение, исходя из того, что сумма (кинетическая энергия) + (потенциальная энергия) (в изменяющемся гравитационном поле Солнца) вдоль орбиты остается постоянной. В комбинации с уравнением для другой сохраняющейся величины (например, момента количества движения) это приведет к уравнению для орбиты, т. е. к эллипсу.

Хотя закон сохранения энергии полезен, до сих пор он вряд ли был всеобщим. Включение же теплоты, химической энергии и др. в одну грандиозную схему привело к перерастанию его в важнейший закон.

Теплота как форма энергии

Лукреций (~ 80 г. до н. э.) так описывал взгляды греческих философов, живших за несколько веков до него:

Воззрения греческих атомистов в течение многих веков либо предавались забвению, либо преследовались. Их идеи были возрождены только во времена Галилея. Причудливую теорию атомов строил Декарт, а Ньютон размышлял над теплотой как движением атомов. Философы последующего века создали грандиозные схемы применения могучей механики Ньютона к декартовым атомам. Они считали, что, задав положение и движение всех атомов, можно предсказать все, что произойдет в будущем. Но атомная картина все еще оставалась в рамках заумных рассуждений, а связь между теплотой и «атомным» движением была лишь внешней.

«Теплород»

В течение долгого времени после Ньютона представление о теплоте продолжало оставаться не слишком ясным. Примерно в 1750 г. Джозеф Блейк провел четкую грань между количеством тепла и температурой. Он измерял количество тепла, нагревая воду или растапливая лед. В последнем случае не требуется даже термометра — теплота измеряется по массе растаявшего льда. Он определил величину, которую мы теперь называем «удельной теплоемкостью», и построил теорию теплоты как некой жидкости, которая без потерь может перетекать из горячих тел в холодные. Даже когда кажется, что теплота исчезает при плавлении или испарении, она прячется в виде «скрытой теплоты», которая может быть выделена при обратном переходе.

Эта «жидкость» вскоре была названа флогистоном, или «теплородом». Нагревание тел означало наполнение пространства между атомами теплородом и увеличение его давления. Считалось, что между «атомами» воды, обладающей большой теплоемкостью, имеется много-свободного места. А в свинце с его малой теплоемкостью места для теплорода должно быть мало, небольшого количества его хватает, чтобы наполнить промежутки до высокой температуры. Было много споров о весе теплорода. Некоторые считали, что он обладает весом, другие же, убедившись в том, что нагретые тела легче, приписывали ему отрицательный вес. Наконец, Румфорд взвесил некое количество льда, нагрел его, пока не превратил в теплую воду, вновь взвесил и перемен не обнаружил. Однако это не опровергало существования теплорода, а лишь указывало на интересное его свойство — невесомость. К 1800 г. теория теплорода казалась хорошо экспериментально обоснованной. Она позволяла легко разбираться в нагревании, охлаждении, плавлении, испарении. Она объясняла даже расширение при нагревании: теплород раздвигал атомы, действуя на них силовыми полями, подобными тем, которые сейчас так популярны в атомной физике. Она с легкостью объясняла также нагревание вещества при трении. Соскальзывая вниз по канату, матрос выжимает из него теплород — говорили приверженцы теплорода? Они могли почти нарисовать картину, как руки человека выжимают теплоту из промежутков между атомами каната, подобно воде из мокрой губки. Но почему же теплород не возвращался обратно, когда матрос отпускал канат? «Да, не возвращается» — таков, по-видимому, был первый ответ. Разумеется, он не возвращается, ибо натертые предметы остаются горячими довольно долго и медленно передают тепло своему окружению. Суть дела в том, — следовали подробные объяснения, — что трение сдавливает канат, уменьшая в нем пространство для теплорода. Таким образом, теплород выжимается и обжигает человеку руки. Это изменение необратимо — в канате остается меньше места для теплорода.

Меньше места для теплорода? Но при атом сдавленный канат должен иметь и меньшую удельную теплоемкость. Это могло бы послужить решающей проверкой теплородной точки зрения. Эксперименты не обнаружили каких-либо изменений, хотя многие приверженцы теплорода цеплялись за свою точку зрения. Они, по-видимому, оправдывались тем, что выжимается лишь малая доля всего теплорода, поэтому изменения удельной теплоемкости должны быть очень малыми. В то время как Блейк и другие уточняли и улучшали измерения, все с большей настойчивостью выдвигалось другое объяснение теплоты — как энергии молекулярного движения.

«Теплота — это очень быстрое колебание неощутимых частичек предмета… то, что мы ощущаем как теплоту, для предмета не более как движение»,

Джон Лот (1796 г.)

«… теплота — это vis viva, происходящая из-за неощутимого движения молекул тела».

Лавуазье и Лаплас (1780 г.) [204]

Все более широкое применение паровых машин и новое понимание химии горения в XIX веке вызвали всеобщий интерес инженеров и натурфилософов (химиков и физиков) к природе тепла.

Лавуазье и Лаплас полагали, что животное и человек также «сжигают» свою пищу в кислороде с образованием воды и углекислого газа, получая столько же тепла, как если бы ту же пищу сжигали в маленькой печи и нагревали воду. Они утверждали, что измерение вдыхаемого кислорода или выдыхаемого углекислого газа могло бы показать, сколько мы «сжигаем» пищи. Она предложили идею химической энергии, которая высвобождается при горении. В 1779 г. Кроуфорд для определения потребления кислорода сажал в изолированный ящик морскую свинку и измерял ее теплоотдачу. Затем он заменил свинку небольшой печкой с горящим углем. При том же потреблении кислорода печка давала почти то же количество тепла. Аналогичный результат дал и горящий воск. Полученные результаты были обнадеживающими. Такие эксперименты поистине весьма трудны, но с той поры они систематически проводились на животных и человеке, и точность их все возрастала. Результаты показали, что выделяемая животными теплота согласуется с теплотой, полученной при сжигании, с точностью до 1 %.

Доказательство Румфорда

В конце XVIII века граф Румфорд впервые экспериментально доказал, что теплота — вовсе не неуничтожимая жидкость, а нечто, получаемое при желании в неограниченном количестве за счет механической энергии. Сам Румфорд (его настоящее имя Бенджамен Томсон) был замечательным человеком. Уроженец Новой Англии, Румфорд легкомысленно стал противником, тех, кто победил в борьбе за независимость, и поэтому вынужден был эмигрировать в Англию. Он был известен не только как блестящий организатор и ученый-экспериментатор, обладающий способностями и огромной любознательностью, но и как политик, покрывший себя славой. Получив за выдающиеся заслуги рыцарское звание, Румфорд отправился в путешествие по Европе. В период своего пребывания в Баварии он так блестяще проявил свои организаторские способности, что был назначен на пост военного министра и ему поручено было реорганизовать армию. Успешна выполнив это, он, опираясь на армию, сумел организовать огромную массу безработных, наводнявших в ту пору Мюнхен, построил для них удобные бараки и обеспечил работой. Благодарное баварское правительство пожаловало ему графский титул; он выбрал себе имя Румфорд в честь небольшого местечка вблизи Конкорда в Нью-Хэмпшире. Дальнейшую славу ему принес разработанныи им дешевый, но здоровый пищевой рацион и специальное кухонное оборудование; Румфорд провел столько исследований по экономичным печам и очагам, что после своего возвращения в Англию давал консультации по этим вопросам в разных уголках страны. Еще будучи в Баварии, Румфорд исследовал теплоту, выделяемую при сверлении стволов бронзовых пушек. Он заметил, что тупое сверло очень плохо режет металл, но дает огромное количество тепла. Пока лошади приводили в движение очень тупое сверло, Румфорд успевал вскипятить поставленные на пушках котлы с водой. Он пришел к выводу, что выделение тепла безгранично и зависит лишь от продолжительности работы лошадей. Так Румфорд пришел к идее тепла как формы энергии. Он нанес жестокое поражение сторонникам теплорода своими измерениями теплоемкости стружек. Он установил, что стружки имели ту же удельную теплоемкость, что и остальная часть пушки, т. е. в них было столько же свободного места для «теплорода».

1840–1860 годы. Доказательство

В 1840 г. теория теплорода подверглась ожесточенным нападкам, хотя ее еще придерживались ученые.

Наступило время, когда появилось новое убеждение, что теплоту можно создать за счет механической энергии. Однако идея эта формулировалась пока неясно, слово «энергия» было непривычным, бытовало еще запутывающее все слово «сила». Чтобы теплота утвердилась как форма энергии, нужны были точные и разнообразные эксперименты. И с начала 1840 г. они появились во множестве.

Чтобы поверить в сохранение энергии, выполните эти эксперименты. Для победы в науке нужны сильные доказательства. Если теплота — действительно форма энергии, эквивалентная потенциальной и кинетической энергиям, то в каждом эксперименте, в котором происходит превращение одной формы энергии в другую, т. е. обмен «теплота —> механическая энергия», должен действовать один и тот же «обменный курс». Эксперименты, в которых за счет механической энергии создавалась теплота, следовали один за другим. Убыль механической энергии измерялась по формуле (сила)∙(расстояние), а увеличение количества тепла — произведением (масса нагреваемой воды), (повышение температуры). Каждый раз природе задавался вопрос: «Дает ли каждая единица потенциальной энергии одно и то же количество тепла?» или «Зависит ли от материала и метода эксперимента величина (ньютон)∙(метр) = (потенциальная энергия), которая должна исчезать для появления Кал? Если при любых переходах в теплоту — будь то химическая энергия или электрическая — «обменный курс» один и тот же, то мы можем говорить о всеобщем законе сохранения.

Многие из таких экспериментов были поставлены Дж. П. Джоулем — манчестерским пивоваром, ученым-любителем, который целью своей жизни поставил доказать, что теплота — это форма энергии. С огромным энтузиазмом и неподражаемым искусством Джоуль давал одно экспериментальное доказательство за другим. Его аргументы убеждали как разнообразием, так и точностью измерений.

Точное измерение количества тепла весьма затруднительно. Тепло утекает из любого прибора, температура которого отличается от комнатной. Эту утечку можно уменьшить, если использовать невысокие температуры, ибо скорость утечки приблизительно пропорциональна разности между комнатной температурой и температурой прибора. Утечку можно сделать менее существенной, применяя прибор больших размеров, так как утечка тепла — это поверхностный эффект, а полный запас тепла при данном повышении температуры пропорционален объему. Поэтому в большом приборе утечка будет составлять меньшую долю измеряемого количества тепла. Джоуль брал много килограммов воды и специальный термометр, градуированный с точностью до 1/20 градуса, так что он мог установить температуру с точностью до 1/200  градуса. Он прилагал большие усилия, чтобы уменьшить потери тепла и контролировать их. В некоторых случаях он пытался исключить утечку тепла, вычитая результаты двух экспериментов при «рабочем» и «холостом» ходе, в которых переход энергии был разным, а потери одни и те же.

В одном из своих ранних экспериментов Джоуль нагревал воду, заставляя ее протекать по очень тонким трубкам. Перфорированный поршень в цилиндре с водой приводился в движение весом падающих грузов. При этом (вес)∙(Δ высоты) давали ему убыль потенциальной энергии (скажем, в кГм), а (масса воды)∙(возрастание температуры) измеряли создаваемое количество тепла.

Джоуль нашел, что на каждую единицу теплоты (1 фунт воды на 1 градус Фаренгейта) затрачивается потенциальной энергии 770 фут∙фунт веса).

Джоуль усовершенствовал метод. Для этого вода размешивалась. Делалось это с помощью специального колеса с лопатками, помещенного в изолированный контейнер с водой и приводимого в движение падающими грузами. Благодаря специальному устройству контейнера и лопаток трение сильно возрастало и для приведения лопаток в движение требовался значительный вес. Когда грузы падали до конца, Джоуль отцеплял их и поднимал вновь. Для нагревания воды потребовалось 20 таких циклов (см. задачу 2 в конце этой главы). Медленно снижаясь, при каждом падении грузы теряли потенциальную энергию, но заканчивали падение с небольшой кинетической энергией, которая передавалась при ударе полу. Джоуль тщательно учитывал эту кинетическую энергию, которая возникала за счет потери потенциальной энергии, но не давала вклада в измеряемое количество тепла.

Он тщательно измерял охлаждение сосуда, так что мог учесть утечку тепла и во время перемешивания воды. Затем брал полную потерю потенциальной энергии и полное тепловыделение и получал коэффициент перехода 780:1 в своих единицах. Такое отношение характерно не только для воды. Чтобы доказать это, Джоуль помещал в сосуд и ртуть, и китовый жир и даже определял выделение тепла при трении железных плиток.

Фиг. 84. Опыты Румфорда , Дэви и Джоуля с превращением энергии.

Позднее Джоуль вернулся к еще более точному измерению перемешивания воды. Его последний опыт с перемешиванием, сделанный через 40 лет после первого, был повторен Роуландом в университете Джона Гопкинса, однако крыльчатое колесо приводилось в движение паровой машиной.

В первых экспериментах Джоуль сделал очень смелый шаг — он пользовался только что открытым электрическим током. Джоуль, а также Генри в Принстоне и другие построили большие электромагниты.

Джоуль создал одну из первых электромагнитных машин, которую можно было использовать и как электромотор, и как генератор. Он брал катушку из медного провода, которая вращалась в поле между полюсами «электромагнита». Генератор приводился в движение падающими грузами. В отсутствие тока катушка вращалась легко, и для преодоления трения нужны были лишь небольшие грузики. Когда же катушка вырабатывала ток, приводить ее в движение становилось гораздо труднее — требовались значительно большие грузы.

Джоуль догадался, что дополнительная потенциальная энергия выделялась током в виде теплоты. Чтобы получить максимальный ток, он соединил концы катушки в короткозамкнутую цепь и, окружив катушку водой, собрал выделяемое тепло.

Вычитая результаты измерений при холостом ходе из результатов рабочих измерений, Джоуль исключал трение, учесть которое по-другому было бы невозможно. Итак, электрическая энергия в качестве промежуточного звена дала практически то же самое отношение, т. е. 780:1.

Затем Джоуль использовал свою машину как электромотор, работающий от батареи. Когда катушка была зажата (в покое), текущий через нее ток нагревал окружающую воду. Когда же катушка освобождалась и, вращаясь, поднимала груз, теплоты выделялось меньше, но груз приобретал потенциальную энергию.

Вычитание двух результатов для одинаковых химических изменений в батарее при переходе потенциальной энергии в теплоту снова дало отношение примерно 800:1. На этот раз общим источником была химическая энергия и Джоуль предположил, что при одном и том же расходе химикалий выделяется одна и та же энергия. (Из других химических опытов он убедился, что химическая, электрическая и тепловая энергии при взаимных переходах правильно «балансируют его счета».)

Фиг. 85. Опыты Джоуля , Роуланда и Хирна с превращением энергии.

Фиг. 86. Опыты Каллендера и Барнеса.

Косвенные методы используют электрические измерения. Амперметр градуируется по силе взаимодействия катушек с током, вольтметр градуируется на примитивном генераторе, дающем э. д с, которую можно вычислить из простой геометрии, измеренного тока и скорости вращения.

* * *

Эксперименты по изучению взаимного превращения механической энергии и теплоты

Краткое описание и результаты некоторых из наиболее известных экспериментов

Год ∙ Экспериментатор ∙ Метод ∙ Результат в единицах Кал  на тыс. дж

∙ 1708 ∙ Румфорд

Сверление пушки тупым сверлом. Лошади, приводившие в движение сверлильный станок, создавали «неограниченное количество» тепла. Сам Румфорд не вычислял механического эквивалента, но вычисления, основанные на его записях работы лошадей и нагревания воды, согласно Джоулю, позднее привели к указанной оценке ∙ 5 или 6

∙ 1799 ∙ Дэви

Трение двух кусочков льда один о другой, по его мнению, вызывает их таяние. Пользуясь часовой пружиной, он с помощью трения расплавлял в вакууме воск. (Эксперименты слишком грубы, чтобы служить истинной проверкой, но опыты Дэви сильно повлияли на взгляды других ученых.) ∙ 3,5

∙ 1842 ∙ Майер

Предложил термин «механический эквивалент тепла» и оценил его, исходя из удельной теплоемкости газов, но использовал неточные данные и делал произвольные допущения ∙ 3,5

∙ 1839–1843 ∙ Джоуль

Экспериментировал с электрическим током; он интерпретировал эффект нагревания и химический эффект на основе растущей веры в нечто, похожее на сохранение энергии, рассматривая теплоту как форму движения ∙ 3,5

∙ 1843 ∙ Джоуль

Построил простую электрическую машину, которая могла использоваться либо как генератор, либо как мотор. Приводя ее как генератор в движение падающими грузами, он измерял теплоту, созданную движением тока по катушке, погруженной в воду. (Роль катушки на деле выполнял статор машины.) Вычитание результатов эксперимента с выключенным магнитом («холостой ход») из результатов с включенным магнитом («рабочий ход») позволило ему учесть трение в подшипниках и т. д. ∙ (4,76; 5,38; 5,60; 4,90)

∙ 1843 ∙ Джоуль

- Та же машина использовалась как мотор. ( А ) Мотор, приводимый в движение батареей, поднимал груз. ( Б ) Батарея создавала тот же ток и нагревала провода (на самом деле устройство было сложнее, но идея та же самая) ∙ (5,51; 3,15)

- Улучшенная установка, описанная выше ∙ (4,62; 4,62; 3,95)

∙ 1843 ∙ Джоуль

Вода пропускалась по тонким трубкам и нагревалась за счет внутреннего трения в жидкости. Измерялась сила, с которой поршень с очень маленькими отверстиями «продавливался» через воду в цилиндре ∙ 4,42

∙ 1844 ∙ Джоуль

Воздух, сжимаемый последовательными движениями компрессора, нагревался. Сосуд со сжатым воздухом помещался в большую массу воды для отвода и измерения количества тепла. При вычислении потребленной механической энергии Джоуль учитывал изменение сжимающей силы вследствие изменения давления по «закону Бойля» ∙ 4,22

∙ 1845 ∙ Джоуль

То же устройство, но с большим сжатием ∙ 4,27

∙ 1845 ∙ Джоуль

Сжатый воздух в сосуде, помещенном в водяную ванну, расширялся до атмосферного давления, охлаждаясь за счет этого ∙ (4,08; 4,37; 4,91)

∙ 1845 ∙ Джоуль

Приводимая в движение падающими грузами крыльчатка перемешивала воду и за счет трения в жидкости, нагревала ее. (Первая форма эксперимента Джоуля.) ∙ 4,80

∙ 1847 ∙ Джоуль

- Усовершенствованная крыльчатка, перемешивающая воду. (Джоуль накручивал на барабан веревку с грузами и, чтобы получить достаточное повышение температуры, заставлял их падать по 20 раз. Он учитывал потерю тепла на нагревание воздуха и потерю кинетической энергии при ударе грузов о пол.) ∙ 4,21

- В том же устройстве вместо воды использовался китовый жир (о учетом измеренной удельной теплоемкости жира) ∙ 4,22

- В том же устройстве использовалась ртуть ∙ 4,24

∙ 1848 ∙ Джоуль

В том же устройстве перемешивалась вода. Было сделано 40 опытов с еще большей точностью. Джоуль полагал, что погрешность этих результатов составляет 0,5 % ∙ 4,15

∙ 1850 ∙ Джоуль

В том же устройстве перемешивалась ртуть ∙ 4,16

∙ 1850 ∙ Джоуль

Нагревание железных плиток трением ∙ 4,21

∙ 1857 ∙ Фавр

При одном и том же токе и продолжительности работы батарея создавала механическую энергию или теплоту ∙ (4,17-4,54)

∙ 1857 ∙  Хирн

Сверление металла тупым сверлом ∙ 4,16

∙ 1861 ∙  Хирн

- Охлаждение водой металлического тормоза ∙ 4,23

- Нагревание воды при прохождении ее через узкую трубку под высоким давлением ∙ 4,16

- Расплющивание свинца. (Маятник-молот 300 кГ со скоростью 4,5 м/сек ударял по куску свинца 2,5 кГ на каменной наковальне массой 1 т. Свинец нагревался примерно на 5 °C.) ∙ 4,17

- Охлаждение сжатого воздуха при расширении в атмосферу ∙ 4,31

- Паровая машина (переход теплоты в механическую энергию ). Арендовалась заводская паровая машина, для которой определялось полное количество тепла, переданное топкой пару; далее вычислялись затраты тепла на излучение, в конденсаторе и т д. и определялась полученная механическая энергия ∙ (4,12-4,23)

∙ 1858 ∙ Фавр

Трение металлов в ртути ∙ 4,05 

∙ 1857–1859 ∙ Вебер, Фавр, Зильберман, Джоуль, Боша, Ленц и Вебер 

Косвенные электрические методы. Измерялась теплота, выделяемая током в проводах или в химических батареях. Оценка механической энергии производилась косвенно по электрическим приборам (амперметру, вольтметру и/или омметру). Электрические единицы еще не были твердо установлены, так что результат ненадежен ∙ (3,9; 4,2; 4,2; 4,2; 4,1; 4,1; 3,9–4,7)

∙ 1865 ∙ Эдлунд 

Расширение и сжатие металлов ∙ 4,35; 4,21; 4,30 

∙ 1867 ∙ Джоуль

Количество тепле, выделенного известным током на известном сопротивлении ∙ 4,22

∙ 1867 ∙ Вебер

То же ∙ 4,21 

∙ 1870 ∙ Виолле 

Вращающийся в магнитном поле диск нагревался вихревыми электрическими токами. Измерялся механический момент и выделение тепла ∙ 4,26; 4,26; 4,27

∙ 1875 ∙ Пулуй 

Трение металлов ∙ (4,167-4,180) 

∙ 1878 ∙ Джоуль

Перемешивание воды крыльчаткой; усовершенствованная установка (среднее из 34 опытов) ∙ 4,158 (5)

* * *

Тем временем и другие экспериментаторы представили новые доказательства. Во Франции Хирн сделал схожие с Джоулем сравнения и, кроме того, добавил еще два новых, хотя и грубых, но важных опыта, поскольку они отличались от остальных. С помощью огромного железного молота в виде маятника он расплющивал кусок свинца о каменную наковальню. При этом измерялась кинетическая энергия маятника до удара с учетом остаточной кинетической энергии и потери ее сравнивались с теплотой, выделившейся в неупругом свинце. Хирн производил также и обратные измерения, когда теплота исчезала, а механическая энергия появлялась. Он арендовал обычную фабричную машину и замерял поступавшее количество тепла и выход механической энергии. Он определял теплоту горячего пара, вычитал из нее теплоту, растраченную в воздух, и т. д., и сравнивал остаток с увеличением механической энергии.

Посмотрите же теперь на все «улики» и судите сами. Получился длинный список результатов — от первых грубых прикидок до прецизионных измерений. Коэффициент перехода выражен в современных единицах — дж/Кал. Если вы рассмотрите работы самого Джоуля, то поймете, почему единица энергии названа его именем.

* * *

Итак, все было ясно. Оставалось лишь узнать самые «пустяки». Величина механического эквивалента  J измерялась теперь с такой точностью, что нужно было пользоваться более точным значением ускорения силы тяжести g , а величина 1 Кал зависела от того, взвешивалась ли вода бронзовой гирей в 1 кг в воздухе или вакууме. Кроме того, стало ясно, что при повышении температуры воды от 10 до 11 °C и от 17 до 18 °C требуется разное количество тепла. Если, по определению, в качестве 1 Кал мы возьмем удельную теплоемкость при 20 °C (удобная комнатная температура), то при более низкой температуре она будет несколько больше. Так что для измерений с точностью до 0,1 % и выше. Мы должны договориться, при какой температуре определяется Калория.

За последние восемь лет было проделано много точных измерений величины J . Ниже приведены некоторые результаты, полученные при взвешивании в вакууме и использовании «двадцатиградусной Калории» (т. е. определенной нагреванием воды от 19,5 до 20,5 °C). 

∙ 1878 ∙ Джоуль 

Перемешивание воды. Результаты предыдущего эксперимента пересчитаны на взвешивание в вакууме и измерения газовым термометром ∙ 4,172

∙ 1879 ∙ Роуланд 

Перемешивание воды крыльчаткой, приводимой в движение паровой машиной. Большое внимание было уделено конструкции прибора и точности измерения температуры ∙ 4,179

∙ 1892 ∙ Мицелеску 

Перемешивание воды ∙ 4,166 

∙ 1899 ∙ Каллендер и Барнес 

Нагревание электричеством непрерывного потока воды. Повышение температуры измерялось также электрически! и методами ∙ 4,188

∙ 1927 ∙ Леби и Геркус 

Перемешивание воды ∙ 4,1802 ± 0,0001 

∙ 1939 ∙ Осборн и др. 

Нагревание воды электричеством ∙ 4,1819

* * *

Так в конце концов было установлено, что теплота, химическая и электрическая энергии способны к взаимным превращениям с потенциальной и кинетической энергиями и представляют собой различные формы универсальной сохраняющейся энергии.

Но энергия измерялась в разных единицах: потенциальная и кинетическая энергии в единицах работы, таких, как (ньютон)∙(метр), а теплота — в кг воды на 1 °C, или Калориях. Химическая энергия измерялась косвенно в тепловых единицах. Электрическая энергия могла измеряться в любых единицах. Мы использовали отношение этих единиц (1 Кал):(1 ньютон∙м) как «улику» против теплорода. Если теперь мы пришли к выводу, что теплота — это форма энергии, то их отношение должно быть универсальным, и нам необходимо точное значение этой величины. Взяв среднее из наиболее точных измерений, мы можем сказать, что

Калория при 20 °C = 4180 дж,

Калория при 15 °C = 4184 дж.

Поэтому при вычислении можно пользоваться приближенным значением 4200 дж/Кал.

Термодинамика

Итак, был установлен общий закон:

Теплота и механическая энергия могут переходить друг в друга с постоянным коэффициентом перехода.

Это утверждение мы называем первым началом термодинамики. В своей наиболее общей форме оно включает и такое утверждение, как «вечный двигатель невозможен». Мы установили этот закон на основе множества экспериментов, но при этом интересовались лишь такими вещами, как количество тепла, величина потенциальной энергии. Мы не вникали в детали и. не ставили вопросов: какие химические реакции происходят в батарее? Колеблются ли атомы расплющиваемого свинца? Такой общий подход характерен для термодинамики — и он противоположен подходу атомной физики, научающей сначала детали механизма атомных процессов, а затем на их основе делающей выводы.

Общее рассмотрение тепловых машин приводит ко второму началу термодинамики:

Теплота сама по себе не может переходить от холодного тела к теплому.

Это простое, почти тривиальное утверждение вместе с первым началом превращается в мощную теорию. Термодинамика приводит к кельвиновской шкале температур, является основой всех тепловых машин от паровоза до двигателя современной ракеты, основой теории холодильников и «перекачивания» тепла, дает возможность делать разнообразные полезные предсказания, например устанавливать связь между напряжением батареи и химическими реакциями в ней, или утверждать, что

ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ ~ Т4.

Общность подхода, лежащего в ее основе, придает ей еще большую силу, ибо изменения деталей внутреннего механизма процессов в системе не могут повлиять на ее заключения.

Когда к термодинамике добавляют молекулярную картину строения вещества, она превращается в «статистическую механику», которая исследует законы хаотического движения. Благодаря этому термодинамика связывается с атомной физикой. А в последнее время примененная вместо молекул к «битам информации», она перевернула теорию и практику связи.

Физика XIX века

В начале прошлого века энергия была идеей, не имевшей прочной репутации. Но благодаря Джоулю и многим другим возникло представление о сохранении энергии: механическая переходит в тепловую, тепловая в механическую — баланс всюду сходился; химическая энергия превращалась в тепловую или сначала в электрическую, а затем в тепловую, электрическая энергия в химическую, а затем в тепловую — все это было обнаружено в массе опытов, которые проверялись и перепроверялись. Баланс все равно сходился.

Это был век торжества науки. В начале века утвердилась химия, и незадолго до этого был открыт электрический ток; в середине столетия наука об электричестве и электротехника стали развиваться гигантскими шагами, а в конце зародилась атомная физика. Но величайшим достижением, по-видимому, явилось установление закона сохранения энергии, причем энергия стала фундаментальным понятием, связавшим все воедино.

«Опыты Джоуля» в лаборатории

Работы Джоуля и его установки были чудом экспериментальной точности. Обычно результаты опытов искажаются потерями тепла. Чтобы оценить работу Джоуля, вам предстоит исследовать в лаборатории сохранение энергии. Но при этом вряд ли удастся добавить что-либо к полученным Джоулем экспериментальным доказательствам. Ваша работа скорее направлена на то, чтобы вызвать чувство уважения к Джоулю в его борьбе с трудностями и восхищение его искусством.

Опыт. Измерение перехода потенциальной энергии силы тяжести в теплоту при падении свинцовой дроби (грубый эксперимент). Положите горсть свинцовой дроби в закрытую картонную трубку и быстро переверните ее так, чтобы дробь пролетела всю высоту трубки. Резко переверните трубку еще и еще раз, подряд раз 50. С помощью ртутного термометра измерьте температуру дроби, высыпав ее в бумажный стаканчик, до и после серии переворачиваний. При каждом переворачивании трубки свинец приобретает гравитационную потенциальную энергию за счет энергии переворачивания трубки. При падении дроби ее потенциальная энергия превращается в кинетическую, которая затем при неупругом ударе дроби о дно переходит в теплоту.

Вычислите полную потенциальную энергию, потерянную дробью, и приращение количества тепла. Допустив, что весь запас потенциальной энергии переходит в теплоту и что теплота не теряется, вычислите механический эквивалент J , т. е. количество потенциальной энергии в джоулях, превратившейся в 1 Кал тепла.

1) Если хотите, взвесьте дробь или объясните, почему это не обязательно.

2) Удельную теплоемкость свинца примите равной 0,035 или посмотрите ее в таблицах.

3) Нарисуйте трубку и укажите, где находится дробь: а) в верхнем положении, б) в нижнем.

С помощью этого рисунка определите, какую нужно брать высоту падения.

4) Когда дробь заканчивает свое падение, дно трубки должно находиться на твердом столе. Если вы держите трубку в руке, то удар «смягчается», так как ваша рука пружинит, и значительная часть кинетической энергии дроби отдается руке. С другой стороны, если при переворачивании вы сдвинете трубку вверх, а затем стукнете ею по столу, дробь будет падать с большей кинетической энергией, нежели дает расчет.

5) Почему мы советуем сделать 50 переворотов? После 5 переворотов температура возрастает слишком мало, а после 5000 установится постоянная температура. Почему? Что лучше: 10, 20, 50 или 100 переворотов?

После выполнения этого опыта подумайте об его усовершенствовании. Что лучше: увеличить число переворотов, добавить дроби, удлинить трубку или взять другой термометр? Некоторые из этих изменений можно исследовать с помощью рассуждений, другие же требуют опытной проверки. Однажды группа учащихся сделала целую серию опытов, которые ясно показали, как одно из этих изменений может улучшить все дело. Это очень неточный эксперимент. Не думайте, что его результат будет в согласии с Джоулем и вряд ли можно избавиться от главных ошибок путем проведения многих опытов.

Если у вас есть приборы для более серьезных измерений — воспользуйтесь ими.

Задача 1. Опыт Джоуля и водопад

Водопад дает возможность провести эксперимент по перемешиванию воды в огромном масштабе. Джоуль проводил свой медовый месяц в Швейцарии, там он измерял разность температур между верхним и нижним уровнями водопада высотой около 50 м.

а) Предположив правильность идеи Джоуля, оцените ожидаемую разность температур, для чего:

1) вычислите потерю потенциальной энергии 2 л воды;

2) вычислите повышение температуры, считая, что потенциальная энергия этих 2 л воды превращается в теплоту (допустим, вы знаете, что 1 Кал = 4200 дж).

б) Объясните, почему повышение температуры не зависит от массы воды выбранной для расчетов?

в) Почему измерения нужно проводить в безветренный день? Чем плох ветреный день?

г) Даже в тихий день предсказанную разность температур могут дать только некоторые водопады. Опишите или нарисуйте типы водопадов, которые не дадут разности температур.

Задача 2. Измерение температуры в опыте Джоуля

Крыльчатка в опыте Джоуля вращалась с помощью двух падающих грузов по 14 кг каждый. Груз опускался приблизительно на 2 м, затем Джоуль вновь накручивал веревку и отпускал грузы. В каждом опыте проводилось 12 таких падений. Эффективная масса воды в калориметре составляла около 7 кг. (Сюда включалась и поправка на калориметр, крыльчатку и т. п.)

Допустим теперь, что коэффициент перехода между механической потенциальной энергией и теплотой составляет 4200 дж на каждую Калорию. Найдите возрастание температуры воды. (Это, конечно, искажение реального опыта. Джоуль измерял повышение температуры и отсюда выводил величину J . Однако было бы неправильно идти по этому пути, не приняв во внимание многочисленных поправок Джоуля и не используя его точные измерения. Вычисления, которые здесь требуются, покажут вам масштаб повышения температуры, которую должен был измерять Джоуль.)

 

Глава 30. Плодотворное развитие кинетической теории газов

Скорость молекул и температура

Теперь мы можем продолжить молекулярную теорию газов и разобраться с энергией:

ДАВЛЕНИЕ ∙ ОБЪЕМ = 1/3 N∙m∙v¯2 = 2/3 КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МОЛЕКУЛ

По шкале газового термометра P∙V служит мерой абсолютной температуры Т. Следовательно,

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ МОЛЕКУЛ ~ Т,

а

СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ ~ √Т.

Задача 1. Температурные эффекты

а) Найдите точную зависимость от температуря скорости звука в воздухе.

б) Предскажите зависимость от температуры скорости проникновения газа через пористую перегородку. (Вопрос поставлен слишком неопределенно, чтобы ответ имел ясный практический смысл. Для определенности притом, что вся диффузионная установка нагревается в замкнутом объеме. В противном случае газ при нагревании станет более разреженным и вы не получите ожидаемой выгоды.)

Но как все-таки сравнить разные газы при одной и той же температуре? Нам необходимо вполне определенное правило, которое помогло бы предсказывать их свойства и проектировать диффузионные заводы, скажем для разделения изотопов. Правило оказывается простым.

Скорости молекул

Даже в газе, состоящем из одинаковых молекул, разнообразие скоростей огромно. Средняя скорость молекул при данной температуре имеет вполне определенную величину, однако отдельные молекулы при каждом соударении изменяют свою скорость, двигаясь иногда быстрее, а иногда медленнее. Допустим, что мы можем заставить некоего «демона» наблюдать за молекулой и через каждую миллионную долю секунды записывать ее скорость. Тогда полученные им результаты будут выглядеть так, как это представлено на фиг. 87. Они изобразятся колоколообразной кривой, характеризующей хаотическое движение, скорость которого в большинстве случаев близка к среднему значению. Аналогичное распределение скоростей получится и на моментальной фотографии молекул газа. Такой график называется «максвелловским распределением», по имени Джеймса Клерка Максвелла, который первый дал описание движения молекул газа более века назад.

Фиг. 87. График распределения no скоростям ( I ).

a — число молекул (гистограмма), изображающее распределение по скоростям в газе. Каждый крестик на графике показывает молекулу, скорость которой лежит в маленькой окрестности скорости v

Примечание. Каждому крестику левой части соответствует медленная молекула, а правой — быстрая (в данный момент). Максимум дает наиболее «популярную» скорость. Средняя скорость расположена недалеко от нее.

б — такая же колоколообразная кривая, показывающая шансы промаха стрелка, когда он целится прямо в «яблочко» мишени. (Один и тот же «закон случая» применим как к случайным вздрагиваниям руки стрелка, так и к молекулярным скоростям при хаотических упругих соударениях в газе). Кривая б нарисована для обычной плоской мишени с кругами равной ширины, кривая а давала бы вероятность попадания в трехмерную мишень со сферическими зонами.

При наличии смеси двух газов приходится следить за двумя сортами молекул, которые при каждом соударении обмениваются импульсами и энергией. Наш «демон», потрудившись изрядно и записав все тщательно, должен был бы дать нам сведения о скорости, импульсе и кинетической энергии каждого сорта молекул. К сожалению, такого «демона» у нас нет, а сами мы рядом с молекулами Слишком неуклюжи и огромны и не способны наблюдать их по отдельности. Однако при некоторых предположениях мы можем проделать эту работу в уме.

Предположим, что:

1) молекулы движутся хаотически, они столь многочисленны и сталкиваются так часто, что оправдано статистическое рассмотрение;

2) при каждом соударении импульс сохраняется, т. е. молекулы подчиняются тем же законам столкновения, что и упругие шары;

3) при каждом соударении кинетическая энергия сохраняется; происходит упругое соударение, в противном случае молекулы через долю секунды падали бы на дно сосуда.

Пометим теперь любые две сближающиеся, сталкивающиеся и разлетающиеся молекулы номерами 1 и 2 и запишем простые алгебраические уравнения:

(Полный импульс до соударения) = (Полный импульс после соударения)

m1v1 + m2v2 = m1v'1 + m2v'2

(Полная кинетическая энергия до соударения) = (Полная кинетическая энергия после соударения)

1/2 m1v12 + 1/2 m2v22 = 1/2 m1v'12 + 1/2 m2v'22

Одно соударение — лишь небольшой штриха общей картине. Эти уравнения нужно написать для миллиардов соударений и просуммировать по громадному множеству молекул. Результат оказывается простым: при смешении газов А и В молекулы обоих типов будут обладать одной и той же средней кинетической энергией

1/2 mAv¯A2 = 1/2 mBv¯B2

Чтобы получить этот результат, нам нужна не таинственная физика, а высшая математика для усреднений, и придется еще позвать на помощь статистика. Он занимается той же работой, но в других областях. Например, для страховых компаний он усредняет продолжительность жизни многих людей в разных ситуациях. Продолжительность отдельной жизни может сильно отличаться от средней, но само среднее — удивительно надежная величина. Благодаря ей страховые компании оправдывают свои миллионные вложения. В газе же имеют дело с гораздо большим числом «клиентов» и событий, нежели любая страховая компания.

В наперстке воздуха более 50 000 000 000 000 000 000 молекул, каждая из которых сталкивается миллиарды раз в секунду. Поэтому, хотя и следует ожидать индивидуальных флуктуации, как в броуновском движении, усреднение дает надежные статистические предсказания.

Чтобы уяснить себе статистическую задачу, рассмотрим воображаемую социологическую ситуацию. Посадим на необитаемый остров миллион гигантов и миллион пигмеев, снабдив их деньгами, топливом, пищей и т. п. А теперь спросим статистиков: «Каково будет распределение среди гигантов и пигмеев через несколько лет?» Статистик потребует от нас уточнения: «Распределение чего? Денег? Одежды? Роста?» Свой ответ статистик может представить нам в виде графиков а и б на фиг. 88.

Фиг. 88. Графики распределений (II, III, IV, V).

Молекулы на Графике V сгруппированы в соответствии с величиной Мv независимо от направления скорости.

Даже если мы потребуем, чтобы были сохранены первоначальные деньги и одежда (старые платья просто перешиваются), то должны ожидать одного и того же среднего для денег и разного среднего для одежды.

Вернемся к молекулам. Статистик скажет нам, что для любой смеси молекул распределение по кинетическим энергиям будет одним и тем же, с одинаковым средним значением у молекул различных типов. Распределение по импульсам будет различным. (Среднее значение импульса, разумеется, в отсутствие ветра равно нулю. Здесь же мы говорим о величине Mv безотносительно к ее направлению.)

Равномерное распределение энергии

Этот статистический результат называется равномерным распределением энергии. В любой смеси газов энергия распределяется между молекулами так, что средние кинетические энергии молекул разного типа оказываются одинаковыми. То же справедливо и когда газы не смешиваются, а содержатся в раздельных контейнерах, но при одной и той же температуре, ибо тогда их можно смешать без каких бы то ни было изменений. Следовательно, если два газа А и В находятся при одинаковой температуре, то

1/2 mAv¯A2 = 1/2 mBv¯B2

Этот закон равномерного распределения энергии оказывается очень полезным. Рассмотрите в этой связи следующие задачи,

Задача 2. Скорость диффузии

Предполагая применимость равномерного распределения энергии, предскажите отношение скоростей диффузии двух газов А и В из резервуара с высоким давлением в вакуум через пористую перегородку.

Задача 3. Разделение изотопов урана

Для атомных бомб и реакторов на обогащенном уране необходимо отделить легко расщепляющийся изотоп U 235 от обычного изотопа U 238 , который мешает делению. Это достигается диффузией в огромном масштабе. Твердый уран химически переводится в газообразный фторид урана UF 6 , диффундирующий через мелкие поры в специальной перегородке (см. фиг.16–18, стр. 358–360). Следуя изложенным ниже рассуждениям, установите возможный выход газа.

1) Химические эксперименты и рассуждения показывают, что молекула кислорода состоит из двух атомов, поэтому мы записываем ее как О 2 , молекула водорода также составлена из двух атомов, Н 2 , а молекулы фторида урана имеют состав UF 6 .

2) Химические измерения говорят нам, что относительные массы отдельных атомов О, Н и F и обычного урана равны 16, 1, 19 и 238. Все это в шкале, где легчайшему атому, Н, приписывается масса 1 (точнее, 16,0000…— изотопу кислорода О 16 ).

а) Какова, по вашему мнению, будет скорость молекул кислорода по сравнению с молекулами водорода при той же температуре? Из соотношения ( масса О 2 )/( масса Н 2 ) = 32/2 и равномерного распределения энергии, (без возвращения к PV = 1 / 3 …) вычислите отношение

( средняя скорость Н 2 )/( средняя скорость О 2 ).

б) Повторите эти же сравнения для О 2 и UF 6 . (Относительная масса UF 6 равна, конечно, не просто 238, а 238 для U плюс 6-19 для F 6 , т. е. 238 + 114 = 352.)

в) Вспомните теперь, что существует несколько сортов (изотопов) урана. В естественной смеси изотопов урана, полученной из руды, большинство атомов имеет относительную массу 238, редкого изотопа 235 в смеси всего 0,7 %; его-то как раз и нужно отделить. Предположим, что через пористую перегородку диффундирует смесь (U 238 F 6 и U 235 F 6 ). Более легкие молекулы. UF 6  отличаются по средней скорости от более тяжелых, поэтому в диффундировавшей смеси получается другая пропорция изотопов. Будет ли новая смесь относительно богаче или беднее U 235 F 6 ?

г) Объясните ваш ответ.

8) Установите процентную разницу между средними скоростями U 238 F 6 и U 235 F 6 . ( Примечание . Как показано в гл. 11 [213] , изменение некой измеряемой величины Q на х % для √ Q дает изменение 1 / 2 х %.)

в) Найденное выше различие средних скоростей иллюстрирует то мизерное изменение, которое дает диффузия на пути от природной смеси с 0,7 % U 235 F 6 к желаемому продукту, содержащему, скажем, 99 % U 235 F 6 . Поэтому в каскадной диффузионной системе (см. фиг. 18, стр. 360) необходимо множество стадий. Сколько, по-вашему, потребуется последовательных стадий: дюжина? тысячи? миллионы? (Выберите разумное число.)

Масса молекул

С помощью равномерного распределения энергии мы действительно можем определить массу молекул. Суть идеи иллюстрирует приводимая ниже задача 4. При этом достаточно косвенных экспериментальных измерений. По броуновскому движению частиц мы наблюдаем суммарный эффект, но не можем увидеть частых ударов молекул. Молекулярное движение безнадежно скрыто от нас. Мы можем регистрировать положение какой-то частицы через равные интервалы времени и измерять расстояние, пройденное за каждый интервал. Но это снова статистические данные и нам снова нужна помощь математики. Эйнштейн и другие показали, как по записи блужданий частицы найти ее истинную скорость.

На фиг. 89 показана траектория броуновского движения одной частицы, зарегистрированная знаменитым французским физиком Пэрреном. Он отмечал положение частицы через каждые 2 минуты.

Фиг. 89. Карта Пэррена .

Линии проведены по записям Пэррена и соответствуют расстоянию около 10 -5 м (1/100 мм) в воде. Масса частиц ~ 10 -16 кг.

«Обсчет» измерении привел затем к значению средней скорости частицы v1, а следовательно, и к массе толкающих частицу молекул. Сам метод, вообще говоря, не очень точен, если бы не золотые руки французского экспериментатора Пэррена, который посвятил этому годы своей жизни. Полученные им результаты согласовались с более надежными оценками, сделанными на основе измерений отношения заряда к массе для ионов и величины заряда электрона.

Задача 4. Измерение массы отдельной молекулы

Равномерное распределение энергии — вещь настолько общая, что ее можно применять и к броуновскому движению частицы пепла, пляшущей среди молекул воздуха. Предположим, что удалось измерить среднюю скорость частицы v 1 и ее массу m 1 .

а) Объясните, как можно вычислить массу отдельной молекула?

б) Скажите, какая еще экспериментальная информация нужна для ответа?

в) Откуда взять эту дополнительную информацию?

Задача 5. Масса «молекул воздуха» [214]

Вот данные, которые можно получить из броуновского движения. Правда, они искусственны и получены не из эксперимента, который должен был бы быть непосредственным, но зато типичны для реального броуновского движения. Наблюдения дают среднюю скорость случайного движения частицы пепла (масса которой 10 -14 кг — одна стомиллионная миллиграмма), равную примерно 10 -3 м/сек (1 мм/сек).

Найдите массу «молекулы воздуха». (Точность вашего результата будет не выше 10–30 %, но для такой фундаментальной величины важна даже грубая оценка. Здесь дело в принципе, а не в точности.)

Задача 6. Закон Авогадро

Свыше века назад итальянский ученый Авогадро, предложив блестящую гипотезу, вывел химию из серьезного тупика. Авогадро предположил, что равные объемы разных газов содержат одной то же число молекул (при одной и той же температуре и давлении). Это позволило простым способом — взвешиванием равных объемов двух газов — сравнивать массы, молекул. Полученные результаты согласовались с данными других источников, и химики порывались рассматривать «гипотезу» Авогадро как «закон». Сейчас, применив равномерное распределение энергии, вы сможете доказать его. Допустим, что газы А и В при одинаковом давлении Р занимают равные объемы V (фиг. 90). Газ А состоит из N A молекул с массой m A , а газ В — из N B молекул с массой m B .

Напишите для каждого из газов предсказание кинетической теории PV = 1 / 3 …, использовав равномерное распределение энергии, докажите равенство N A = N B , которое и составляет содержание закона Авогадро.

Фиг. 90. К задаче 6.

Задача 7. Химическая логика

Вот как закон Авогадро используется в химии. Если смешать равные объемы водорода (Н) и хлора (Сl), то вспышка света вызовет химическую реакцию (взрыв), в которой они, соединяясь, образуют новый газ — хлористый водород HCl (в водном растворе — соляная кислота). (Если первоначальные объемы не равны, то избыток одного из газов остается неиспользованным.)

Поэтому 1 л водорода и 1 л хлора дают 2 л смеси, а после взрыва — 2 л соединения хлористого водорода (когда газ остынет до первоначальной температуры).

а) Если 1 л водорода содержит N молекул, то сколько молекул содержит 1 л хлора?

б) Сколько образуется молекул соединения?

в) Разделив общее число исходных молекул на число молекул соединения, определите, сколько исходных молекул расходуется на образование одной молекулы хлористого водорода?

г) Что можно заключить о числе атомов водорода в молекуле газа водорода?

д) Дайте обоснование вашего ответа.

Задача 8. Предсказание удельной теплоемкости гелия

Не будем измерять удельную теплоемкость гелия, а, подобно фокуснику, «вытащим» ее из нашей «теоретической шляпы». Пусть тепловая энергия гелия равна кинетической энергии его молекул, так что:

1) Из PV = 1 / 3 … следует, что полная кинетическая энергия всех N молекул N∙( 1 / 2 mv 2 ) должна быть равна ___

2) Предположим, что вся эта кинетическая энергия есть теплота, поглощенная газом при нагревании его от абсолютного нуля до той температуры Т , при которой он находится. Измерения газовым термометром показывают, что если газ находится при температуре тающего льда, это соответствует температуре 273 °C выше нуля. Полная масса газа равна N ∙ m , а повышение температуры равно 273 °C. Необходимая для нагревания теплота равна

МАССА ∙ Δ (ТЕМПЕРАТУРЫ) ∙ УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ

Комбинируя это с полученным выше результатом, найдите выражение для удельной теплоемкости через давление Р , объем V , массу Nm или М и т. д.

3) Примените это к гелию, используя следующие данные: 4 кг гелия при температуре таяния льда и давлении 1 атм (примерно 100 000 ньютон/м 2 ) занимают 22,4 м 3 . Вычислите удельную теплоемкость гелия. Не забудьте, что вычисленная вами в п. 1 кинетическая энергия выражена в ( ньютон )∙( метр ), или джоулях , а теплота, вычисленная в п. 2, выражена в Калориях .

Прежде чем ответить на вопрос, выразите обе величины в одинаковых единицах (1 Кал = 4200 дж). ( Примечание . Вместо температуры тающего льда можете взять комнатную температуру 293 °C выше абсолютного нуля и объем 24 м 3 )

Удельная теплоемкость газов

Сравните ваше решение задачи 8 с экспериментальным значением удельной теплоемкости гелия, равным 0,74 [215] . Предсказания и эксперимент согласуются очень хорошо. Измеряемое значение одно и то же при всех температурах, как это следует из вычислений. Следовательно, наша теория хорошо оправдывается.

Найдем теперь аналогичные данные для водорода. Если вместо 4 кг гелия мы возьмем 2 кг водорода в этом же объеме, то получим, что удельная теплоемкость должна быть около 1,5. Экспериментальное значение совершенно другое — около 2,5. Таким образом, наша теория продержалась недолго. Это расхождение оказывается полезным для новой теории. Получаемое из статистической механики равномерное распределение энергии в общем случае касается не только кинетической энергии движения. Оно утверждает только, что «средняя кинетическая энергия у всех молекул одинакова». Оно поровну наделяет энергией все независимые типы движений молекулы . Для атомов гелия, которые мы представляли в виде крошечных круглых шариков, хаотическое движение можно разбить на три независимые компоненты: движение вверх — вниз, вперед — назад и влево — вправо в направлениях х, у и z . Это — поступательное движение молекул, поэтому энергию его мы называем поступательной кинетической энергией. Равномерное распределение энергии говорит нам, что энергия в среднем складывается из трех равных долей поступательного движения. Сумма этих трех [216] долей должна давать полную кинетическую энергию, которая равна 3 / 2 PV . Следовательно, на каждую долю поступательной энергии приходится  1 / 2 PV .

Фиг.91.Поступательное движение.

Атомы типа атома гелия обладают энергией поступательного движения. Любое такое движение можно разложить на три перпендикулярные составляющие вдоль осей х, у и z . Движение молекулы в каждом из этих трех направлений можно считать независимым .

Фиг. 92. Молекула из двух атомов (типа H 2 ).

а — молекула представляет собой нечто «лохматое»; б — схематическое изображение такой молекулы в виде гантели

Но в молекулу водорода входят два атома Н-Н, и она, кроме того что движется как целое, может еще вращаться наподобие гантели (фиг. 93), т. е. обладать и вращательной энергией.

Фиг. 93. Вращательное движение.

Молекула из двух атомов (типа Н 2) характеризуется двумя независимыми направлениями вращения. Здесь это вращения вокруг осей у и z .

У такой гантели, вообще говоря, имеются три независимые оси вращения. Однако вращение вокруг третьей оси (оси гантели) возбудить при соударениях слишком трудно. Таким образом, необходимо учитывать две доли вращательной энергии, кроме трех долей поступательной, каждая из которых равна  1 / 2 PV . Следовательно, при расчете теплоемкости водорода надо иметь в виду, что теплота расходуется на увеличение не только поступательной, но и вращательной энергии, т. е. вместо трех долей нужно учитывать пять. Его удельная теплоемкость поэтому должна быть в 5 / 3 раза больше наших предсказаний, а 5 / 3 ∙(1,5) = 2,5; тогда согласие с экспериментальным результатом 2,40 оказывается очень хорошим. От этого же химики должны были бы прийти в восторг, ибо им не было известно, что такое молекула водорода: Н 2 ? Н 4 ? Н 6 ?…, теперь же они получили аргумент в пользу Н 2 . К сожалению, все не так просто. Пара атомов в молекуле может еще колебаться друг относительно друга вдоль оси молекулы (фиг. 94).

Фиг. 94. Колебательное движение вдоль оси молекулы.

Это движение обладает потенциальной и кинетической энергиями.

Колебательное движение потребует своей доли энергии, даже двойной доли, ибо любое колебание обладает как кинетической, так и потенциальной энергиями, а равномерное распределение обещает стандартную долю энергии каждой из них. Но тогда мы получили слишком много, 3,5. Экспериментальное значение теплоемкости водорода изменяется с температурой (фиг. 95).

Фиг. 95. Удельная теплоемкость водорода.

При очень низких температурах оно равно 1,5, в области комнатных температур 2,4, а при очень высоких — ползет к 3,5. Это как раз те значения теплоемкости, когда возбуждены такие движения:

Поступательное (3) (всего 3 доли)… удельная теплоемкость 1,5 

Поступательное (3) + вращательное (2)… удельная теплоемкость 2,5

Поступательное (3) + вращательное (2) + колебательное (2)… удельная теплоемкость 3,5 

Эти ступеньки для каждого из ожидаемых значений были загадкой, пока не сообразили, что они получаются из ограничений на вращательную и колебательную энергии — ограничений квантового типа. Квантовые правила возникшие из другого неожиданного поведения излучения, требуют, чтобы энергия на периодическое движение, такое, как колебания или вращение, бралась стандартными «порциями». Энергия каждой из таких «порций», или квантов, определяется правилом [217] ;

(ЭНЕРГИЯ КВАНТА) = (УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПОСТОЯННАЯ)∙(ЧАСТОТА ПОВТОРЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ)

Таким образом, вращение или колебание с высокой частотой должно обладать энергией в виде одной, двух, трех…. больших порций, возможно слишком больших, чтобы атом или молекула могли иметь хотя бы одну порцию для поддержания средней энергии, характерной для данной температуры. (Если бы сахар продавался и поедался только мешками по 100 кг, он исчез бы из рациона «среднего» жителя и лишь сказочным гигантам, пожалуй, такая норма была бы по вкусу.) Эти порционные ограничения на равномерное распределение энергии объясняют все особенности и предсказывают новые экспериментальные факты. Сообщим молекуле один квант энергии вращения. Это заставит ее вращаться очень быстро, ибо ее инерция вращения (момент инерции) довольно мала.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ВРАЩЕНИЯ = 1 / 2 (МОМЕНТ ИНЕРЦИИ)∙(УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ) 2

Но при быстром вращении молекулы кванты ее энергии должны быть большими. Поэтому молекулы поглощают энергию либо большими квантами, либо не поглощают вовсе и не вращаются. При низких температурах средняя доля энергии, положенная по закону равномерного распределения, оказывается гораздо меньше одного кванта, так что вращаться могут лишь немногие молекулы. При комнатной температуре средняя доля составляет несколько квантов, и равномерное распределение осуществимо.

Молекулы колеблются с очень высокой частотой , поэтому практически ни одна из молекул не может колебаться, пока газ не нагрет до очень высокой температуры .

Удельная теплоемкость твердых тел

Аналогичное рассмотрение можно применить и к колебаниям атомов в твердом кристалле (фиг. 96).

Фиг. 96. Удельная теплоемкость твердого тела.

Вce атомы кристаллической решетки твердого тела похожи друг на друга и каждый из них может колебаться. Равномерное распределение предполагает равную долю кинетической и потенциальной энергий на каждое из направлений колебаний атома в трехмерном пространстве. Отсюда мы получаем, что произведение удельной теплоемкости на атомный вес должно быть постоянной величиной, приблизительно равной 6. Однако экспериментальные измерения, как видно из точек на фиг. 97, при низких температурах дают гораздо меньшую величину.

Допустим, что атомы гелия сконденсировались в твердое тело. Каждый атом теперь привязан упругими силами к своему месту в кристаллической решетке. У него нет ни поступательного, ни вращательного движения, но он может колебаться в трех независимых направлениях, так что должен обладать шестью долями колебательной энергии вместо трех долей поступательного движения. Поэтому удельная теплоемкость твердого гелия должна быть вдвое больше чем 0,75, т. е. 1,5. Однако замороженный гелий ведет себя не так просто; снова возникают квантовые неприятности. Но поведение других твердых тел при более высоких температурах хорошо согласуется с этим предсказанием. Умножая предсказанное для гелия число 1,5 на его атомный вес 4, мы получаем 6,0. Если вы проследите за рассуждениями в задаче 8 , то увидите, что переход к другому элементу дает ту же самую величину произведения удельной теплоемкости на атомный вес . В этом заключается правило Дюлонга и Пти, открытое около века назад в решившее споры о химических атомных весах. Оно удивительно хорошо подходит повсюду, за исключением низких температур, где дают себя знать квантовые эффекты.

При достаточно низких температурах квантовые ограничения сводят удельную теплоемкость к нулю. Кривую изменений теплоемкости можно получить комбинацией квантовых правил с кинетической теорией. «Достаточно низкие температуры» изменяются при переходе от одного твердого тела к другому и зависят от естественных частот колебаний атомов в кристалле. Поэтому, чтобы сравнить экспериментальные данные с теорией, мы для каждого твердого тела откладываем на графике свою шкалу температур. После этого все измерения ложатся на одну теоретическую кривую (фиг. 97).

Таковы замечательные результаты изучения удельной теплоемкости столь скучного на первый взгляд предмета. Уже первые предсказания кинетической теории согласовывались с фактами, убеждая тем самым в правильности теории. Затем появились исключения и потребовали новой, квантовой теории, которая в свою очередь очень хорошо согласовывалась с экспериментом и объяснила целый ряд кажущихся противоречий.

Фиг. 97. Квантовая теория удельной теплоемкости.

Наложение квантовых ограничений на равномерное распределение энергии в случае колебаний атомов приводит к теоретическому предсказанию, изображенному сплошной линией. 

Каков диаметр молекулы?

Сколь велики молекулы воздуха? Это бессмысленный вопрос, если мы не скажем, сколь сильно мы предполагаем давить на молекулу, измеряя ее. Портной может уменьшить размер талии человека почти до нуля, перерезав ее при снятии мерки жесткой стальной проволокой. Мы можем уменьшить «диаметр» молекулы до нуля, измеряя его с помощью электронов, ускоренных миллиардами вольт. Здесь мы имеем в виду диаметр при «обычных соударениях», т. е. расстояние между центрами сталкивающихся молекул при наибольшем сближении или при плотной упаковке в жидкости или твердом теле. В наглядной модели атомной структуры — это размер внешнего электронного облака атомов в молекуле.

Грубую оценку размера молекул можно получить из измерения толщины масляных пленок (см. задачи 5, 6, 7 в гл. 6). Это дает для молекулярной цепи из 19 атомов углерода длину 24∙10-10 м или 24 А° (ангстрема). Тогда получаем, что «диаметр» каждого атома углерода в тесной цепочке равен 1–2 А°. Молекулы кислорода и азота содержат по два атома (по-видимому, больших по размерам, чем атом углерода), так что мы можем поместить эту гантель в «шарик» диаметром 3–4 А°. Тогда их «поперечное сечение» относительно рассеяния будет около π (3,5∙10-10/2)2 м2.

Для получения более надежных оценок мы не будем пользоваться результатами измерения пленок или броуновского движения. Мы подойдем по-иному: рассмотрим измерения с жидким и обычным воздухом и бурыми парами брома.

Размер молекул воздуха; непосредственные оценки

Проведем два эксперимента: 1) найдем изменение объема при переходе жидкого воздуха в газообразный и 2) рассмотрим диффузию брома в воздухе, измеряя скорость его распространения.

Первое измерение дает нам возможность сравнить удаленность молекул друг от друга в газе и в жидкости. Второе — даст оценку «среднего свободного пробега молекул газа — среднего пути между двумя последовательными соударениями. Оба результата связаны с «площадью поперечного сечения» молекул газа или их диаметром. Комбинируя их, мы сможем получить хорошую, хотя и грубую, оценку диаметра молекул, а отсюда — вычислить массу молекул и число молекул в заданном объеме.

«В отчаянии» физику удается получить приближенное значение размера молекулы «по порядку величины», но попытка установить размер точнее затуманивает вопрос множеством сложнейших деталек. Как в экспериментальных измерениях, так и в теоретических рассуждениях мы будем «сглаживать углы», упрощать, делать приближения, строить догадки, словом, поступать танк, как делают настоящие ученые, когда они впервые попадают в незнакомую им область [220] . Поэтому наши результаты могут быть лишь приблизительными. Тем не менее в таком вопросе, как атомные размеры, очень ценны даже неточные измерения, дающие порядок величины размеров и числа атомов и демонстрирующие возможность подобных измерений в микромире.

1)  Изменение объема. Расстояние между молекулами воздуха. На сколько в среднем молекулы воздуха удалены от своих соседей? Чтобы поставить вопрос в более определенной форме, предположим, что мы на мгновение как-то разметили молекулы воздуха и навели среди них порядок, скажем посадили каждую молекулу в отдельный кубик с ребром длиной D , причем расположение этих кубиков регулярно. Тогда можно утверждать, что D — это «средняя удаленность» молекул воздуха.

Фиг. 98. Расстояние между молекулами в газе.

Мы считаем, что в жидком воздухе молекул столько, что они «касаются» друг друга, причем расстояние между центрами равно среднему диаметру молекул d . Жидкости плотны и текучи, они почти несжимаемы, и их молекулы должны быть тесно прижаты друг к другу; молекулы жидкости не «закреплены» жестко, как в «узлах» кристаллической решетки твердого тела, но и не разлетаются, как молекулы газа. Мы предполагаем, что молекулы жидкого воздуха размещаются в кубических ячейках, каждая с ребром d и объемом d 3 . (Это не самая плотная из возможных упаковок, она еще оставляет место для текучести.) Затем, когда жидкость превращается в газ, d превращается в D , а объем каждой ячейки возрастает от d 3 до D 3 . Это изменение объема должно быть одинаковым как для одной молекулы, так и для всей массы воздуха. Не составляет труда измерить его. Наполним небольшую известного объема колбочку жидким воздухом. Затем быстро прикрепим к ее горлышку гибкую пластмассовую трубку. Другой конец трубки погрузим под воду, над которой помещен большой перевернутый вверх дном сосуд. Жидкий воздух в колбочке закипает, превращается в газообразный, его пузыри поднимаются вверх, собираются в сосуде, и измеряется объем.

Фиг. 99. От газа к жидкости.

Пример.

20 см 3 жидкого воздуха превращаются в 15000 см 3 обычного воздуха при комнатной температуре и атмосферном давлении. Следовательно,

D 3 / d 3 = 15000/20 = 750, а D / p = (750) 1/3  ~= 9 (с точностью до 1 %)

Среднее расстояние между молекулами воздуха равно стороне кубика, содержащего одну молекулу, т. е. D ~= 9 d . При атмосферном давлении молекулы воздуха удалены друг от друга на 9 или 10 диаметров. Это дает представление о количестве пустого места в газе и указывает на то, что наличие размеров молекул не очень мешает нашим простым теоретическим предсказаниям.

Задача 9

На сколько диаметров удалены друг от друга молекулы в цилиндре с воздухом, сжатом до 125 атм? ( Указание . При расстоянии 10 / 125 диаметра молекулы еще не напоминают сельдей в бочке.)

2)  Средняя длина свободного пробега . Сколько в среднем пролетает молекула между последовательными соударениями? Это расстояние, называемое средней длиной свободного пробега, не совпадает с расстоянием D . Если бы молекулы были точечными, они пролетали бы друг мимо друга, совершенно не сталкиваясь. Чем «толще» молекулы, тем большую мишень подставляют они под удар движущимся соседям, тем чаще происходят соударения.

Длину свободного пробега можно оценить, используя в качестве «метки» видимые пары брома. Повторим демонстрацию диффузии брома в сосуде c воздухом (см. фиг. 10, стр. 351), отмечая скорость продвижения бурых паров. Пустим секундомер в момент, когда жидкий бром выпускался на дно высокой трубки. Спустя некоторое время, скажем 500 сек, измерим среднее расстояние, на которое пары брома поднялись вверх. Для этого нужно решить, где смесь брома и воздуха в трубке выглядит «полубурой», т. е. вдвое более светлой; чем «совершенно бурый» газ непосредственно над жидким бромом, и измерить высоту этого места над поверхностью жидкости. Это, очевидно, приближенная и субъективная оценка, но если каждый наблюдающий опыт в аудитории сделает свою оценку, отклонение вряд ли превысит 10 % от средней высоты. Каждая молекула брома достигает своего конечного положения в результате огромного числа шагов «случайных блужданий» [221] . Чтобы воспользоваться оценкой высоты «полупобурения», нужна помощь статистики. Нам необходимо выражение для среднего продвижения при большом числе последовательных шагов длиной L в хаотических направлениях. Эта проблема называется задачей о «случайных блужданиях» (ее называют еще задачей о «пути пьяницы», the drunkard's walk). Согласно статистическим исследованиям, это число равно √ N , а ниже показано, как получить его в случае двух измерений. Все это справедливо и для трех измерений и полезно в некоторых физических задачах, таких, как выход фотонов из недр Солнца, диффузия нейтронов в «замедлителе» реактора, звучание поющего хора, а следовательно, и преимущество «согласованных» (когерентных) световых волн лазеров по сравнению со светом от горячего пламени или газа, где атомы «поют как нестройный хор».

Фиг. 100. Средний свободный пробег молекулы газа.

При атмосферном давлении средний свободный пробег гораздо больше расстояния  D (Заштрихованная трубка показывает объем, заполняемый одной молекулой, движущейся среди остальных.)

Представьте себе случайное блуждание молекулы брома, мечущейся от столкновения к столкновению в толпе молекул воздуха. Мы считаем, что все ее прыжки имеют одинаковую длину, равную среднему свободному пробегу L . Если за время t каждая из молекул делает N шагов, то среднее перемещение равно √( N )∙ L . Число шагов подсчитаем так: полный ( спрямленный ) путь за время t равен vt , где v — скорость молекул брома. Число шагов на таком пути N = v ∙ t / L . Следовательно, среднее перемещение S равно

S = √( N )∙L = √( v ∙ t / L )∙ L = √( v ∙ t ∙ L )

Оценка расстояния «полупобурения» дает S , так что, зная v , можно вычислить L . Как и для других газов, v получается из измерения плотности и давления паров брома. Для тяжелых паров брома при комнатной температуре [222] это дает: v  = 210 м/сек.

Пример

Предположим, что группа наблюдателей определила высоту «полупобурения» 9 см над поверхностью брома за 500 сек. Спрямленный путь молекулы брома за это же время составил (210 м/сек)∙(500 сек), а число шагов на этом пути равно (210249500)/( Средний свободный пробег L ). Тогда среднее перемещение S определится так:

S = √(210∙500/ L )∙ L = √(200∙500∙ L )

т. е.

9/100 м = √(200∙500∙ L )

Следовательно,

L ~= (81/10 4 )/(210∙500) ~= 770∙10 -10 м или 770 А°

Округленно средний свободный пробег молекул брома в воздухе можно считать равным 800 А°, и, по-видимому, не будет серьезной ошибкой считать таким же свободный пробег молекул воздуха в воздухе. (Если бы измерения дали в среднем 10 см вместо 9 см, то величина среднего свободного пробега составила бы 1000 А°, что подтверждает приближенный характер нашего результата.)

Таким образом, оценки для обычного воздуха показывают, что: 1) молекулы удалены друг от друга примерно на 9 диаметров; 2) средняя длина свободного пробега составляет примерно 800 А° (800∙10 -10 м).

Средний свободный пробег и давление

Удалим теперь половину молекул из сосуда с газом. Этим мы вдвое уменьшим вероятность попадания и удвоим, таким образом, средний свободный пробег. В общем случае средний свободный пробег должен изменяться обратно пропорционально числу молекул в единице объема , или обратно пропорционально давлению . При высоком вакууме в одну миллиардную атмосферу средний свободный пробег будет в миллиард раз больше, т. е. 10 9 ∙800∙10 -10 м, или 80 мк. Это значит, что в радиолампе молекула остаточного газа барабанит по стенкам, а другие молекулы газа редко попадаются на ее пути.

Диаметр молекулы. Соотношение πD 2 L = D 3

Между средним свободным пробегом L и диаметром d существует однозначная связь: чем больше d , тем больше площадь мишени при столкновении и тем меньше длина свободного пробега. Можно показать, что π D 2 L = объему, который в среднем приходится на одну молекулу в газе, т. е. D 3 . Геометрическое доказательство изложено ниже. Затем мы воспользуемся этим результатом для вычисления диаметра d из L и отношения объемов D 3 / d 3 .

* * *

Вычисление случайных блужданий («путь пьяницы»)

Молекулы брома мечутся между молекулами, воздуха, получая удар за ударом и меняя направление после каждого из них. Насколько при этом им удается в среднем продвинуться вперед?

Образец подобного движения можно понаблюдать на примере пьяного человека, возвращающегося туманной ночью с вечеринки. Выпустив из объятий фонарный столб, он делает один шаг, затем забывает о нем и делает второй, но уже в другом направлении, забывает и о нем и делает третий шаг… и так далее — N шагов в совершенно произвольных направлениях. На какое расстояние он отдалится от спасительного фонарного столба? Он может вернуться опять к столбу или оказаться очень близко от него. Он может отойти от столба на N шагов (в том редком случае, когда все шаги устремлены в одном направлении), но это маловероятна. Его перемещение по прямой лежит между 0 и N шагами. Мы же хотим найти среднюю величину перемещения, усредненную по множеству таких продвижений, состоящих из N шагов.

Пусть человек вновь и вновь повторяет свою «прогулку» сначала. После каждой прогулки мы будем измерять его перемещение S . Усредним S по этим прогулкам. Для удобства будем искать среднее значение S 2 , а затем извлечем квадратный корень, получив среднее квадратичное значение. Покажем, что это среднее должно приближаться к √ N шагов (Например, если за основу берем 100 шагов, то ожидаем, что человек уйдет только на 10 шагов от начального места.) Вот доказательство в двумерном случае (трехмерный случай рассматривается так же).

Нарисуем несколько первых шагов хаотического движения. Пусть длина каждого шага равна L , а всего имеется N шагов. Воспользовавшись координатами х и у , разложим первый шаг на компоненты х 1 и у 1 , второй шаг на компоненты х 2 и у 2 и т. д. Для первого шага х 1 2  + у 1 2 = L 2 , аналогично и для других шагов. Компоненты х и у перемещения S будут соответственно равны

( x 1 + x 2 +… + x N )

и

( y 1 + y 2 +… + y N ),

S 2 = ( x 1 + x 2 +… + x N ) 2 + ( y 1 + y 2 +… + y N ) 2  =

=  х 1 2  + x 2 2 +… + 2 х 1 x 2 + 2 х 1 x 3  +… +  y 1 2  + y 2 2 +… + 2 y 1 y 2 + 2 y 1 y 3  +… =

= L 2 + L 2 + НУЛЬ = N ∙ L 2

«Смешанные слагаемые», наподобие 2 х 1 x 2 , при усреднении по многим блужданиям дают нуль, ибо эти слагаемые могут одинаково часто быть как положительными, так и отрицательными и иметь величину от 0 до 2 L 2 . То же справедливо и для «смешанных слагаемых» с у . Поэтому среднее значение S = √( N )∙ L

Доказательство станет нагляднее, если применит тригонометрию и разложить каждый шаг на горизонтальную и вертикальную компоненты: L ∙cos  θ  и  L ∙sin θ . Тогда пара смешанных слагаемых, наподобие 2 L 2 ∙cos θ 1 ∙cos θ 2 и 2 L 2 ∙sin θ 1 ∙sin θ 2 , складывается в 2 L 2 ∙cos ( θ 1 — θ 2 ), а косинус одинаково часто бывает как положительным, так и отрицательным, давая в среднем нуль.

* * *

При столкновении двух молекул расстояние между их центрами равно радиусу одной + радиус второй молекул, т. е. диаметру d. Для упрощения будем считать, что радиус одной из сталкивающихся молекул равен d, а вторая молекула — просто точка (фиг. 101).

Фиг. 101. Упрощенная геометрия свободного пробега.

Расстояние между их центрами при соударении прежнему будет d. Представим теперь, что мы стреляем точечной молекулой по системе из ячеек с ребром D, каждая из которых содержит по одной молекуле-мишени радиусом d (фиг. 102). Летящая молекула проходит первый ряд ячеек, но, вероятнее всего, не попадает в цель, которая находится где-то внутри ячейки.

Фиг. 102. Средний свободный пробег.

Точечная молекула пронизывает ячейки. Сколько должна она пролететь ячеек до соударения? Молекуле, нацеленной на переднюю грань площадью D 2 , должно казаться, будто молекулы задних ячеек мишени заполняют своими кружочками площадью π D 2 всю грань.

Другой способ рассуждений . Вместо «раздувания» молекулы-мишени можно выстрелить «раздутой» молекулой, сжав остальные молекулы в точки, когда площадь поперечного сечения летящей молекулы равна π d 2 . Во время полета она заполняет трубку с таким поперечным сечением; при каждом столкновении эта трубка изгибается (фиг. 103).

Когда в такую «трубку» попадает молекула-мишень, происходит столкновение, а не попавшие в трубку молекулы остаются «за бортом». Между двумя последовательными соударениями молекула пролетает средний свободный пробег, так что заполненный объем равен

(ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ) ∙ (СРЕДНИЙ СВОБОДНЫЙ ПРОБЕГ),

или π d 2 L

Но заполняя этот объем, она сталкивается только с одной молекулой , так что этот объем равен также D 3 , т. в. размеру ячейки, занимаемой одной молекулой газа. Следовательно, π d 2 L = D 3 , или L = D 3 /π d 2 , как и выше.

Еще более простой метод . За счет более смелых предположений можно прийти к оценке d даже без всякой геометрии и «труб». Будем рассуждать так. Поместим некое количество обычного воздуха в высокий цилиндр. Нажмем на поршень и сожмем воздух в 750 раз, чтобы молекулы сгрудились столь же тесно, как в жидком воздухе. (Если хотите, охлаждайте воздух до тех пор, пока он не станет жидким). Сгрудившиеся молекулы служат лучшей мишенью, так как средний свободный пробег станет в 750 раз меньше. Попытаемся теперь догадаться, каков будет средний свободный пробег молекул в воздухе, сжатом до плотности жидкости. Сообразите-ка, сколько ячеек должна пролететь одна молекула, чтобы удариться о другую, учитывая при этом расстояние не от центра до центра, а от поверхности до поверхности . Это трудная задача.

Попытайтесь создать собственный метод и вот вам несколько наводящих соображений. Если бы среднее расстояние между соседними молекулами составляло один диаметр, то они сталкивались бы довольно часто, но все же свободного места оставалось бы еще столько, что они вели бы себя как газ, а не как жидкость. (Вспомните, что жидкости почти несжимаемы; давление в 20 000 атм сжимает воду лишь на 25 %.) Если же молекулы сгрудились настолько, что каждая проходит всего 1 / 10 диаметра до столкновения с другой, то они практически оказались бы связанными, как в твердом теле. Изобразите молекулы кружками на бумаге или одинаковыми монетами на столе, посмотрите, какой средний свободный пробег соответствует расстояниям от 0,1 d до d .

Допустим, вы выбрали 3 / 4 d , тогда можно сказать:

Средний свободный пробег в тесноте L /750 = (3/10)∙ d

т. е.

800∙10 -10 /750 = (3/10)∙ d

следовательно,

d = 3,6∙10 -10 м = 3,6 А°.

(Нетрудно получить правильный ответ, выбрав для среднего свободного пробега нужную долю d , но это нечестно. Честнее установить верхний предел или оценить пробег из представления о строении молекул, причем не следует забывать, что это лишь приближенная оценка.)

Итак продолжаем.

Сколько же слоев ячеек должна пройти молекула, чтобы можно было гарантировать одно соударение? Об этом говорит нам средний свободный пробег. Площадь лицевой грани ячейки равна D 2 , но молекула-мишень «подставляет» под обстрел только «яблочко» площадью π d 2 . Предположим, что до соударения молекула должна пролететь X ячеек. Она видит перед собой X «яблочек», которые, будучи рассыпаны совершенно случайно, не перекрывая друг друга, должны заполнять площадь «входного окна» D 2 , т. е. Х∙π d 2 = D 2 , или Х = D 2 /π d 2 . Полный путь через эти ячейки равен X ∙ D , но, с другой стороны, он равен среднему расстоянию, пройденному между двумя соударениями, т. е. среднему свободному пробегу L :

СРЕДНИЙ СВОБОДНЫЙ ПРОБЕГ L = X ∙ D = ( D 2 /π d 2 )∙ D = D 3 /π d 2

или

L π d 2 =  D 3 = 750∙ d 3

d  = L π/750 = 800 A°∙3.14/750

Подставляя нашу оценку для L , получаем

d  ~= 3,4 A°, или 3,4∙10 -10 м

Наш частный пример дал величину d = 3,4 А°. Подобные соображения обычно дают значения между 2 и 7 А°. Мы уже говорили, что это «символическое» измерение, проверка принципа, которая показывает способ извлечения характеристик микромира (масштаба размеров атома) из макроскопических (масштаба человека) измерений и теории.

Читателю следовало бы самому проделать такой опыт и составить свою оценку. Точные измерения и совершенная теория дают величину 3,72 А°. Все же такая оценка, основанная на представлении о том, что молекула есть твердый шар, кажется искусственной. Однако она подтверждается более надежными оценками для массы и размеров молекул, основанными на методах, использующих значение заряда электрона, определенное в опытах Милликена. Мы будем считать отныне размер молекулы равным 3,72 А°, но записывать будем 3 3 / 4 А°, отразив таким образом наши сомнения.

Расстояние между молекулами в воздухе будет тогда около 9∙3 3 / 4 , или ~ 35 А°, так что для атмосферного воздуха получаются такие оценки;

∙ Размер (наибольшее сближение при столкновении)… 3 3 / 4 А°

∙ Удаленность  (среднее расстояние между соседями)… 35 А°

∙ Средний свободный пробег (между соударениями)… 600—1000 А°

∙ Скорость (средняя)… 500 м/сек

Более полное статистическое исследование приводит к среднему свободному пробегу 650 А°.

Задача 10

Исходя из данных приведенной ваше таблицы, вычислите количество соударений в секунду молекулы воздуха при атмосферном давлении.

Число молекул. Число Авогадро

Теперь можно вычислить число молекул воздуха в данном объеме, скажем в небольшой комнате 3 м х 2 м х 4 м, т. е. объемом 24 м3. Каждой молекуле воздуха мы приписываем объем D3, или 750∙d3. Тогда число молекул будет

24 м3/750∙(33/4∙10-10 м)3

или около 6∙1026.

В такой небольшой комнате при комнатной температуре и атмосферном давлении заключено 600 000 000 000 000 000 000 000 000 молекул воздуха. Как утверждал Авогадро (см. задачу 6, стр. 531), это число одинаково для любого газа при том же объеме; в честь ученого мы называем его числом Авогадро.

Мы выбрали этот объем потому, что число килограммов воздуха и других газов в таком объеме оказываются очень полезной величиной: 2 кг водорода, 4 кг гелия, 32 кг кислорода, 44 кг СО2. Ведь это же как раз относительные массы молекул по химической шкале (масса атома водорода = 1). Каждую такую массу в килограммах мы. называем киломолем (фиг. 104).

Фиг. 104. Киломоль.

Тогда один киломоль любого вещества содержит 6∙1026 молекул. (Здесь для краткости будем называть его молем.)

Даже когда воздух откачан очень хорошим насосом и получен «высокий вакуум», т. е. давление будет составлять, например, миллиардную долю атмосферы, то в комнате еще останется 600 000 000 000 000 000 молекул (6∙1017).

Масса молекулы

Теперь можно вычислить массу отдельной молекулы. Наша комната объемом 24 м3 содержит 6∙1026 молекул, масса которых всех вместе составляет 28,8 кг. (Это определяется взвешиванием и измерением объема воздуха.) Таким образом,

Масса молекулы воздуха = 28,8/6∙1026 = 4,8∙10-26 кг

Если вместо воздуха взять водород, то масса 6∙1026 молекул будет равна 2 кг, а

Масса молекулы водорода = 2 кг/6∙1026 = 3,33∙10-27 кг

Зная из химических соображений, что молекула водорода состоит из двух атомов Н2, мы заключаем, что

Масса атома водорода = 1,67∙10-27 кг

Это масса «протона», которая будет очень важна для нас при подсчете энергии (см. гл. 43).

Молекулы и температура

По универсальной шкале газового термометра абсолютная температура измеряется произведением P∙V, так что, согласно определению, PV = RT, где R — постоянная величина. Если мы возьмем один моль газа, то независимо от его сорта R будет одной и той же.

Кинетическая теория дает

PV = 1/3 N∙m∙v¯2 = 2/3 N∙(1/2 mv¯2) = 2/3 Eкин.

Следовательно,

Кинетическая энергия молекул = 3/2 PV = 3/2 RT

поэтому

Средняя кинетическая энергия одной молекулы = 3/2 RT/N = 3/2 (R для одного моля газа / Число Авогадро для одного моля)∙T = 3/2 k∙T

где k — газовая постоянная, отнесенная к одной молекуле.

Равномерное распределение энергии привело нас к одинаковой кинетической энергии для молекул любого сорта при одинаковой температуре Т, так что k — универсальная постоянная, одинаковая для молекул любого сорта.

Теперь можно придать температуре ясный и простой смысл.

Абсолютная температура характеризует среднюю кинетическую энергию любой молекулы. Это просто умноженная на 2/(3k) средняя кинетическая энергия. Мы считаем, что молекулы газа делятся своей кинетической энергией с молекулами стенок контейнера или шарика термометра по закону, похожему на закон равномерного распределения энергии.

Разделение изотопов урана

Чтобы выделить U235 диффузией UF6, нам нужна пористая перегородка, которая отличала бы быстрые молекулы от медленных. Большие отверстия в перегородке не дадут никакого разделения. Молекулы газа пройдут через них как обычный поток, сталкиваясь друг с другом и приобретая из-за разности давлений дополнительный импульс. Смесь молекул будет проходить через перегородку, не меняясь. Маленькие поры в доли среднего свободного пробега позволяют молекулам проявить свою индивидуальность. Если поры длинные, то, прорываясь сквозь них, каждая молекула множество раз ударяется о стенки и поэтому быстрая молекула получает преимущество по сравнению с медленной. Поры перегородки должны быть гораздо меньше 1000 А°, но больше самих диффундирующих молекул, скажем 5–6 А° для UF6. Диаметр их должен быть между 100 и 10 А° — требование необычное для технологов и изобретателей. Такие перегородки можно приготовить, например, в виде тонких пористых пластинок прессовкой металлического порошка. Они используются в огромном масштабе, разделяя килограммами U235 в системе каскада из нескольких тысяч стадий с автоматической перекачкой и системой контроля за ядовитыми парами UF6. Изменение содержания изотопа напоминает рост суммы вклада в банке по сложным процентам в течение многих лет. Для разделения нужно множество стадий с перекачиванием молекул на вход предыдущей стадии (см. фиг. 18, стр. 360).

Вакуумные насосы и барометры

При проведении исследований по электронике и атомной физике в большинстве установок бывает необходимо создать хороший вакуум. Хороший вакуум нужен и в промышленных масштабах для изготовления радиоламп и рентгеновских трубок. Как сделать подходящие насосы и контролировать остаточное давление в миллионные или даже миллиардные доли атмосферы?

Механические насосы с поршнем в виде вращающегося в масле затвора могут с легкостью понизить давление от одной атмосферы 1/10, 1/100, и даже 1/10 000 доли атмосферы. Для создания еще большего вакуума применяют более быстрые «поршни» — отдельные движущиеся молекулы. Поток «горячих» молекул паров ртути несется вдоль цилиндра, стенки которого охлаждаются холодной водой и замедляют молекулы при ударах до малых скоростей. Таким образом получается много быстрых молекул ртути в верхней части и медленных — в нижней. Попавшая сюда молекула воздуха чаще и сильнее толкается вниз молекулами горячей ртути, чем вверх холодной; сверху сыплются сильные удары, снизу только шлепки; насос так и работает: стук… шлеп…стук… шлеп… стук…шлеп…. И «бродяга» в среднем приобретает импульс вниз.

Попадая через отверстие А (фиг. 105) в основной объем, молекулы воздуха проталкиваются к отверстию В, где удаляются механическим насосом. Эта система как будто не очень много обещает, однако молекулы ртути при охлаждении так меняют, свою скорость, что прибор оказывается очень эффективным. Вместе с хорошим механическим насосом такой диффузионный насос способен понизить давление до миллиардных долей атмосферного. В промышленных диффузионных насосах стекло заменяется металлом, а ртуть — кипящим маслом. Радиолампы и другие приборы, в которых нужен высокий вакуум, при откачке прогреваются, чтобы выгнать прилепившиеся к стенкам газы. Для окончательной очистки внутри лампы производится электрический взрыв маленького кусочка металла (геттер), который, образуя на стенках тонкое зеркало, запирает тем самым оставшиеся там молекулы воздуха.

Для создания еще большего вакуума молекулы остаточного газа ионизуются путем бомбардировки электронами, а затем крепко «вбиваются» электрическим полем в стенки и остаются там.

Фиг. 105. Ртутный диффузионный насос.

«Молекулярный» насос

Как можно измерить очень низкое давление в «хорошем» вакууме? Для давления до 1/100 атм достаточно маленькой U-образной трубки со ртутью, с вакуумом, с одной стороны, и измеряемым давлением — с другой (фиг. 106).

Фиг. 106. Манометр для измерения вакуума.

Для давления 1/1000 000 атм и меньше разница уровней слишком мала, чтобы заметить ее и не спутать с капиллярными эффектами. Для измерения высокого вакуума сейчас используются сложные ионизационные приборы, в которых из немногих оставшихся молекул выбиваются электроны и измеряется слабый ток образовавшихся ионов.

Для измерения обычного вакуума мы используем простой манометр Мак-Леода, придуманный талантливым шотландцем. В широкий цилиндр впускается большой объем остаточного газа, который сжимается ртутным поршнем, скажем, в отношении 10 000:1. Давление тогда должно возрасти в 10 000 раз. Это давление сжатого газа измеряется затем по разности уровней ртути. В манометре, изображенном на фиг. 107, газ из цилиндра диаметром 50 мм перегоняется в капилляр диаметром 1 мм, так что изменение сечения равно 502:1. Длина же изменяется от 10 см в цилиндре до 2,5 см в капиллярной трубке, уменьшаясь в отношении 4:1.

Для объема получается отношение (2500)∙(4):1, или 10 000:1. Возросшее давление определяется по разности уровней ртути в капилляре со сжатым газом и в параллельной трубке, подсоединенной к основному объему.

Фиг. 107. Манометр Мак-Леода.

Образец сильно разреженного газа сжимается в отношении, скажем, 1:10 000. Затем измеряется его давление, которое стало теперь в 10 000 раз больше. Заштрихованная область заполняется ртутью для «запирания» и сжатия образца газа.

Теория реальных газов

Теперь мы можем отшлифовать нашу теорию и превратить ее во всеобщий закон реальных газов. Молекулы упруги, свободны, малы…, но не бесконечно малы. Если сами они занимают некий объем, то пространство, доступное для движения, уже не будет совпадать с наблюдаемым объемом V, а несколько меньше V — b, где Ь — поправка, учитывающая размеры молекул. Кроме того, молекулы не свободны от влияния друг на друга. При сближении они притягиваются; так, мы знаем, происходит в жидкостях. При больших сжатиях молекулы «сдерживают» друг друга, уменьшая давление на стенки сосуда. Правдоподобные рассуждения показывают, что наблюдаемое давление Р не просто RT/V, а RT/V — a/V2, где а — постоянная.

Закон PV = RT превращается в

(P + a/V2)∙(V — b) = RT

Это уточненный газовый закон, называемый законом Ван дер Ваальса. (Соответствующие графики приведены на фиг. 110.)

Новая формула достаточно хорошо описывает поведение реальных газов, предсказывая отклонения от закона Бойля в обширной области давлений вплоть до тысяч атмосфер и даже ниже критической температуры. Она сводится к старой записи, когда V велико, например для воздуха при атмосферном давлении или ниже. (Хороший пример принципа соответствия Бора: новая теория должна сводиться к старой в пределе, когда новые условия оказываются несущественными.)

Это хорошая теория. Добавление реальных предположений приводит к более общим выводам. Мы можем сверить данные опыта с новым законом и найти для каждого газа величины а и Ь. Затем можно воспользоваться этим законом и привести показания газового термометра к идеальной газовой шкале. Величина Ь позволяет оценить диаметр молекул. А когда газ превращается в жидкость, поправка a/V2 намного превышает обычное давление и возникает поверхностное натяжение, удерживающее жидкость в капле.

Разумное применение теории

Используя манометр Мак-Леода, мы доверяем закону Бойля. Но откуда же известно, что закон Бойля справедлив при очень низком давлении, вдали от той области, где его можно экспериментально проверить? Чтобы гарантировать это, нужно измерять Р и V вплоть до этих давлений. Но как измерить Р? Ведь не барометром же Мак-Леода! Для этого мы обращаемся к кинетической теории газов и спрашиваем, можно ли доверять закону Бойля?

Обычно экстраполировать теорию очень рискованно, но здесь теория дает мудрый ответ: «Если и существует область, где можно пренебречь размером молекул и их притяжением и где должен быть справедлив простой закон, то где, как не при очень низких давлениях можно положиться на закон Бойля». Это необычный случай, когда теория сама гарантирует свою экстраполяцию с с большой точностью.

Можно ли сжать газ до жидкости?

Как делают жидкий воздух? Не просто сжатием. Даже если мы сожмем газ так, что он будет столь же плотным, что и жидкость, он по-прежнему будет занимать весь сосуд. Кажется, что его молекулы неспособны собраться в жидкость. Однако если мы охладим газ ниже критической температуры, то при сжатии он сможет превратиться в жидкость. Если же его охладить, а для сжижения сжать недостаточно, он по-прежнему будет вести себя как газ, который называют паром. Пар можно превратить в жидкость простым сжатием, но, чтобы превратить в жидкость истинный газ, следует сперва охладить его ниже критической температуры и сжать (продолжая при конденсации отбирать тепло). При наличии достаточного места любая жидкость превращается в пар.

Таким образом, каждое вещество характеризуется определенной критической температурой, выше которой оно — несжижаемый газ, а ниже — либо пар, либо пар + жидкость, либо жидкость в зависимости от давления. Комнатная температура для большинства газов значительно выше их критической температуры, а для всех жидкостей, — разумеется, ниже ее. Азот — это газ, водяной пар — это пар, ртуть — это жидкость, а свинец — это твердое тело. На Солнце все они были бы газами, на Нептуне — твердыми телами.

Критическая температура воздуха равна —140 °C, гелия — всего лишь несколько градусов выше абсолютного нуля, воды — около +365 °C, углекислого газа 31 °C. В обычные нежаркие дни огнетушитель, скажем, на 3/4 заполнен жидким СО2, над которым находится пар. В очень жаркие дни граница жидкости исчезает и вся она превращается в пар. Это превращение можно наблюдать в стеклянной трубке (фиг. 108). При повышении температуры жидкость сильно расширяется, становясь менее плотной, тогда как плотность пара растет. Затем граница исчезает, но появляется вновь при охлаждении после внезапного «проливного дождя» капель жидкости. Хотя это и опасный опыт, но происходящие в нем изменения восхитительны.

Мы еще вернемся к проблеме критической температуры после того, как расскажем о молекулярной картине испарения.

Фиг. 108. Критическая температура.

Стеклянная трубка с жидкостью и паром нагревается. 

Закон Бойля и СО 2

Вернитесь к фиг. 3 (стр. 331), на которой даны графики зависимости Р от V для воздуха. Углекислый газ проявляет ярко выраженные особенности, а при достаточно низкой температуре (ниже критической) они обнаружатся у любого газа. На фиг. 109 проводится сравнение между поведением воздуха и СО2.

Фиг. 109. Сравнение поведения углекислого газа с воздухом.

Графики представляют собой экспериментальные изотермы (зависимость давления от объема при постоянной температуре).

Выше 31 °C СО2 — газ, и когда температура становится гораздо выше критической, он достаточно хорошо подчиняется закону Бойля. При любой температуре ниже 31 °C при увеличении сжатия он превращается из ненасыщенного пара в насыщенный пар+жидкость, а затем в жидкость. Ненасыщенный пар при низких давлениях приближенно подчиняется закону Бойля. Во время сжижения давление остается постоянным (равным давлению насыщенного пара). Сжать жидкость, конечно, трудно, поэтому для нее кривые на графике Р — V резко взмывают вверх.

Таким образом, изотермы ниже критической температуры далеки от простых гипербол (PV — постоянно). Тем не менее усовершенствованный газовый закон Ван дер Ваальса достаточно хорошо описывает их. Об этом говорит фиг. 110, на которой для газа выбраны подходящие значения параметров а и b. В промежуточной части экспериментальной кривой (область сжижения) предсказания теории расходятся с экспериментом, но предсказываемое теорией поведение системы неустойчиво и его трудно обнаружить экспериментально.

Фиг. 110. Изотермы, предсказываемые модифицированным законом Ван дер Ваальса .

Сплошными линиями показаны РV- зависимости при различных температурах. Пунктирные линии показывают места, где поведение реальных веществ отличается от предсказаний. 

Жидкость и пар

Молекулы в жидкости тесно прижаты друг к другу (вспомните, что жидкость несжимаема). Тем не менее ее молекулы должны двигаться, по-видимому, с той же долей кинетической энергии, которая предписывается газам законом равномерного распределения. В открытом блюдце жидкость медленно исчезает, превращаясь в невидимый пар, если же поместить жидкость в закрытую бутылку, испарение вскоре прекратится. В этом случае пар и молекулы воздуха находятся вверху, жидкость — внизу, температура стеклянных стенок вокруг них одна и та же. Возможно, между ними существует равномерное распределение — одна и та же кинетическая энергия у всех компонент: молекул пара (и воздуха), молекул жидкости при их коротких перебежках между соударениями и двойная доля (кинетическая энергия + потенциальная энергия) у каждой из дрожащих молекул стекла бутылки. Для молекул газа или пара стекло — не гладкая стена, а дрожащий строй колеблющихся атомов, которые при бомбардировке отдают все, что получают. Вот почему молекулы газа отражаются от твердых стенок с той же скоростью и кинетической энергией, а от горячих стенок — с большей. Поверхность жидкости для молекул газа — тоже не зеркальная гладь, а бурлящая агрессивно настроенная среда, из которой временами вылетают молекулы пара.

Испарение

Испарение — это отрыв молекул от своих соседей на поверхности жидкости. Задача 11 показывает, что испарение должно сопровождаться охлаждением.

Задача 11. Испарение

а) Какие экспериментальные факты свидетельствуют о притяжении молекул жидкости друг к другу?

б) Какие экспериментальные факты подтверждают, что в газах молекулы очень слабо притягиваются друг к другу (если вообще притягиваются)?

в) 1) Изобразите испаряющуюся с поверхности жидкости молекулу, которая притягивается своими соседями с помощью короткодействующих (в несколько молекулярных диаметров) сил;

2) нарисуйте равнодействующую этого притяжения для молекулы, которая только что покинула поверхность;

3) большинству молекул, которые хотят оторваться, сделать это не удается из-за недостатка кинетической энергии; они напоминают брошенный вверх мяч, который пытается оторваться от Земли. Что происходит с такими молекулами? Изобразите путь некоторых из них.

г) Если молекула оторвалась, она совершает работу против равнодействующей сил притяжения, превращая часть своего запаса кинетической энергии в потенциальную энергию (запасенную в поле сил молекул). Кинетическая энергия большинства молекул меньше необходимой для полного отрыва, т. в. средней кинетической энергии недостаточно для отрыва. Только некоторые из молекул с кинетической энергией выше средней могут оторваться полностью. Что тогда происходит со средней кинетической энергией молекул, оставшихся в жидкости?

д) Рассматривая теплосодержание как кинетическую энергию молекул, объясните, что происходит с оставшейся жидкостью после испарения части молекул?

е) Почему некоторые молекулы, движутся сверхбыстро? Что это — особый вид молекул? Или это своего рода аристократы в мире молекул?

Задача 12. Испарение и температура

При повышении температуры жидкости средняя кинетическая энергия молекул возрастает и большая доля молекул будет обладать энергией, достаточной для отрыва.

а) Как, по вашему мнению, это повлияет на скорость испарения?

б) Если бы мы могли увеличить температуру настолько, что даже средней кинетической энергии молекул уже било бы достаточно для отрыва, что тогда произошло бы, по вашему мнению? (Над этим стоит поломать голову. «Кипение» — неправильный ответ.)

Насыщенный пар

При испарении жидкости в закрытой бутылке пары достигают стадии «насыщения», когда молекулы возвращаются в жидкость с той же быстротой, с какой покидают ее. Это «динамическое равновесие» поддерживает определенное давление насыщенного пара.

С увеличением температуры давление сильно возрастает. При наличии воздуха жидкость испаряется очень медленно. Конечно, молекулы воздуха не могут удержать молекулы жидкости от испарения, но они нападают на «эмигрантов» и загоняют их назад в жидкость. Таким образом, воздух замедляет процесс насыщения, но не меняет окончательного давления.

Фиг. 111. Испарение и насыщенный пар.

Что создает хорошее самочувствие

Охлаждение при испарении — свойство, жизненно необходимое для поддержания постоянной температуры нашего тела. Когда мы деятельны и сжигаем топливо — пищу, то 75 % энергии выделяется в виде тепла. Мы должны избавиться от него, иначе температура нашего тела будет повышаться и мы будем чувствовать себя плохо. Воздух медленно уносит тепло, но испарение с влажной кожи поглощает его очень быстро. Катящийся градом со лба пот не приносит ничего приятного, но пот, испаряющийся в сухом воздухе, охлаждает и облегчает ваше состояние. (Охлаждение в холодильниках также достигается испарением жидкости.)

В сильно переполненной комнате ваше лицо покрывается испариной, затем повышается температура и начинается головная боль. Опыты показывают, что это вызывается не углекислым газом. (Даже в очень переполненной людьми комнате концентрация СО2 не достигает и четверти той, которая способна вызвать головную боль!) Все дело во влажности, которая мешает охлаждению. Обмахните лицо веером или подставьте его под струю воздуха от вентилятора, она отгонит сырой и принесет более сухой воздух, который поможет испарению пота. Хороший кондиционированный воздух должен быть сухим и прохладным, а не холодным и влажным, какой дают некоторые дешевые установки.

Кипение

Жидкость испаряется при любой температуре. Если вода находится чуть ниже точки кипения, то пар поднимается с поверхности в виде многочисленных молекул, которые легко пробиваются через окружающий воздух. Когда же вода нагрета до точки кипения, внешняя поверхность испаряет чуточку больше, но приходит в действие механизм кипения; наряду с поверхностным испарением начинается испарение в растущие пузырьки пара. Именно эти пузырьки насыщенного пара и являются основным признаком кипения. Достигнув поверхности, пузырьки лопаются и извергают пар, так что в кипящей жидкости испарение идет быстрее. Однако для поддержания испарения необходим постоянный приток тепла, возмещающий охлаждение при испарении. Но почему жидкость не кипит, пока она не нагрета до определенной температуры, и почему температура при кипении остается постоянной? Почему точка кипения на вершине горы понижается?

Фиг. 112. Кипение.

а — вплоть до точки кипения жидкость испаряется только с поверхности; б — в кипящей жидкости испарение идет о поверхности и в пузырьках пара.

Задача 13. Условия кипения

Пузырьки пара в жидкости — это единственный признак кипения. Обычно они образуются на дне кастрюли, ибо там жидкость горячее. Вокруг растущего пузырька пара находится вода, которая старается его сжать, сдавить, а внутри него насыщенный пар стремится расшириться.

а) Если пузырьки не сжимаются, а могут расти, то каково должно быть давление пара внутри них по сравнению с давлением жидкости снаружи?

б) Каким приблизительно должно быть давление жидкости на небольшой глубине?

в) Из предыдущего получается, следовательно, что кипение не может начаться до тех пор, пока жидкость не нагреется настолько, что давление ее пара будет равно ___?

г) Если жидкость во время кипения станет еще горячее, давление пара возрастет. Что произойдет с пузырьками? И что вследствие этого произойдет с температурой жидкости? (Вспомните, что испарение всегда отбирает тепло.) Какой вывод можно сделать относительно температуры кипения?

д) (Трудный.) Демонстрация поверхностного натяжения показывает, что давление внутри маленьких мыльных пузырей больше, чем внутри больших. Поэтому мы ожидаем, что для преодоления поверхностного натяжения маленькие пузыри при кипении должны иметь дополнительное внутреннее давление. Это дополнительное давление должно обеспечиваться давлением пара. Следовательно, для возникновения очень маленьких пузырьков пара температура жидкости должна быть ___?

е) Кипение жидкости зачастую характеризуется нерегулярным «взрывным» движением. Как это получается в соответствии со сказанным выше?

Поставьте кружку с водой на пламя горелки и понаблюдайте. Посмотрите, как начинается кипение; вы увидите, что роль «зачинщиков» играют маленькие пузырьки воздуха. Уменьшая внешнее давление, можно заставить жидкость кипеть при все более и более низких температурах. В высоких горах кипит теплая на ощупь вода.

Можно даже заставить воду кипеть и замерзать в одно и то же время, если температура будет немного превышать 0 °C. При очень низком давлении точка кипения лишь немного превышает 0 °C, а точка замерзания (при полном отсутствии давления) поднимается несколько выше нуля и встречается с точкой кипения.

Если откачивать пар, то быстрое испарение охлаждает воду до тройной точки и даже превращает часть воды на поверхности в лед, тогда как кипение продолжается и через лед пробиваются пузырьки пара.

Фиг. 113. «Тройная» точка.

При очень низком давлении холодная вода кипит, замораживая при испарении остальную воду. В этой «тройной» точке кипение и замерзание происходят одновременно. «Тройная» точка возможна при таком давлении и температуре, когда возникает равновесие твердого тела, жидкости и пара. Для воды «тройная» точка расположена чуть выше 0 °C.

Средний свободный пробег и зеркало

Лучшие из современных зеркал изготовляются путем нанесения на поверхность стекла в высоком вакууме атомов металла. Для этого маленький кусочек алюминия нагревают до плавления и испарения раскаленной электрическим током вольфрамовой проволокой. Испаряющиеся при этом с большой скоростью атомы барабанят по стенкам. Помещенная поблизости стеклянная пластинка захватывает атомы, и получается прекрасная зеркальная поверхность — от прозрачной металлической пленки до толстого отражающего покрытия. Если вакуум достаточно хорош, любое препятствие дает резкую «тень» на чистом стекле. Это говорит о том, что атомы металла летят от расплавленной капельки по прямым линиям. Если же остатки воздуха сокращают средний свободный пробег атомов, то края тени оказываются размытыми.

Фиг. 114. Изготовление зеркала путем испарения алюминия в вакууме.

Препятствие отбрасывает резкую «тень» на чистое стекло. 

Критическая температура и кинетическая теория

Теперь мы можем дать интерпретацию критической температуры. Молекулы газа при данной температуре независимо от давления обладают определенной кинетической энергией. Если температура высока, то, как не сжимай молекулы, этой кинетической энергии будет достаточно, чтобы разорвать силы, связывающие молекулы в жидкость. При более низкой температуре, если мы сжимаем молекулы настолько, что у каждой из них оказывается достаточно близких соседей, может образоваться жидкость.

Ван-дер-ваальсово притяжение a/V2 в жидкости действует наподобие заряда: оно связывает молекулы в подвижную массу с некоторой упорядоченностью среди близких соседей, но без постоянной привязанности к своему месту, как в твердом кристалле. Таким образом, критическая температура представляет собой ту границу, за которой кинетическая энергия становится слишком большой, чтобы молекулы могли собираться в группы. Если же мы начинаем с жидкости, из которой в виде пара вылетают только некоторые «сверхбыстрые» молекулы, то можем поднимать температуру до тех пор, пока даже «средняя» молекула не будет обладать кинетической энергией, достаточной для отрыва. После этого жидкость распадается на части и превращается в газ!

Задача 14. Критическая температура

а) При повышении температуры поверхностное натяжение уменьшается. Каким оно должно быть при критической температуре?

б) Как установить критическую температуру по измерению поверхностного натяжения?

в) Какой будет скрытая теплота испарения, т, е. теплота, необходимая для превращения 1 кг жидкости в пар без изменения температуры (при критической температуре)?

г) Обычно жидкость гораздо плотнее, чем пар. Каково соотношение между плотностью жидкости и пара при критической температуре?

Низкие температуры. Жидкий воздух

Критическая температура воздуха составляет —140 °C. Воздух охлаждается ниже этой температуры, а затем посредством сжатия и охлаждения превращается в жидкость. Для уменьшения испарения жидкий воздух хранится в сосуде с двойными стенками, между которыми создается вакуум. На открытом воздухе жидкий воздух постоянно кипит при температуре около—190 °C.

Демонстрационные эксперименты с жидким воздухом показывают следующее:

Жидкий воздух (кислород, азот) очень холоден, хотя и кипит. Он замораживает все живое — и животных, и цветы, делает резину хрупкой, а свинец упругим. Обычный стол для него очень горяч, так что он бегает по нему на подушке из слоя пара, подобно воде на раскаленной докрасна печи. При кипении его на открытом воздухе термометр (газовый, гелиевый) показывает температуру около —190 °C. При испарении и нагревании до комнатной температуры объем увеличивается в 800 раз.

Жидкий азот плавает на воде, кипит при более низкой температуре, чем кислород, так что может конденсировать жидкий кислород из атмосферы.

Жидкий кислород тонет в воде, цвет его голубой, он немного магнитный, может, если надо, служить компактным источником кислорода для поддержания горения. (Сигары и пучок тонкой стальной проволоки вспыхивают, если их поджечь, предварительно пропитав жидким кислородом, а гигроскопическая вата становится хорошей взрывчаткой.)

Высокие температуры. Ионы в газах

Если увеличивать температуру твердого тела, то его излучение будет превращаться из инфракрасного в видимый красный, оранжевый…, раскаленный белый. Свет пламени спички обусловлен раскаленной добела сажей. Мы не будем обсуждать здесь, как электроны колеблющегося атома испускают свет — это слишком сложно. Однако раскаленные газы светятся по более простой причине и дают дополнительные сведения о строении атомов. При достаточно высоких температурах атомы можно возбуждать с помощью соударений.

Большинство соударений между атомами — упругие, т. е. сохраняется кинетическая энергия. Но при достаточно сильных соударениях кинетическая энергия может израсходоваться на отрыв атома от сложной молекулы, а очень сильные удары могут выбить из атома отрицательный электрон, оставив атом положительно заряженным. Этот процесс создания электрически заряженных частиц в газе называется ионизацией. Чтобы оторвать электрон от атома, требуется значительная энергия; при этом кинетическая энергия переходит в электрическую потенциальную энергию. При комнатной температуре соударения, приводящие к ионизации, слишком редки, чтобы их следовало принимать в расчет. При температуре пламени, скажем, 1200 °C кинетическая энергия некоторых молекул газа уже достаточна для ионизации ударом, хотя ионов всего несколько штук на миллиард, но и это количество уже заметно.

Фиг. 115. Образование ионов.

Ударившись об атом, электрон выбивает из него электрон и оставляет положительный ион. Отделившийся электрон может присоединиться к другому атому, образовав отрицательный ион.

Атомам может быть причинен и несколько меньший ущерб. Не отрываясь от атома, электроны могут подняться на более высокий уровень. Получается «возбужденный» атом. Когда электроны возбужденного атома возвращаются на свое нормальное место, дополнительная энергия выделяется в виде излучения. Именно так, при возвращении электронов на низшие, наиболее стабильные энергетические уровни атомы излучают свет. Яркий желтый свет пламени, в которое бросили щепотку соли, зелено-голубой свет от меди или пылающий красный свет неоновой рекламы — все это излучается возбужденными атомами при возвращении в нормальное состояние или ионами, которые, захватив электроны, переходят из возбужденного в нормальное состояние.

Светящиеся газы могут проводить электрический ток, подтверждая присутствие в них заряженных ионов, переносящих этот ток. Ионы создаются в пламени главным образом благодаря выделению химической энергии, и местами возникают атомы более быстрые, нежели большинство атомов газа в пламени. При высоких температурах, скажем 6000 °C, как на поверхности Солнца, обычные соударения могут возбуждать достаточное количество атомов для создания видимого свечения. (Этот свет Солнца и других звезд тонет в гигантском потоке излучения, идущего из пышущих жаром недр.)

Однако сильное нагревание — слишком сложный способ получения ионов. Проще получить их с помощью электрического разряда. Приложим к газу сильное электрическое поле. При своем возникновении сам ион и оторванный от него электрон ускоряются полем и могут приобрести достаточно энергии, чтобы при соударении с молекулой газа создать еще один ион. Таким образом, каждый ион будет создавать вторичные ионы, которые в свою очередь также будут увеличивать число ионов. Возникает размножающийся лавинный, или цепной, процесс, который мы называем электрическим разрядом. Его можно проиллюстрировать на модели, изображенной на фиг. 116.

Фиг. 116. Модель лавины («разряда»).

В небольшие канавки на наклонной планке уложены шарики. Они представляют молекулы, а расстояние между канавками — средний свободный пробег. Шарик, изображающий ион, выпускается сверху планки и катится вниз, пока не встретит ряд «молекул». Если наклон невелик (слабое электрическое поле), «ион» остановится. Если наклон побольше, то шарик вытолкнет другой, а сам остановится. Возникает небольшой ток. Но если наклон достаточно велик (сильное электрическое поле), «ион» вытолкнет несколько шариков, каждый из которых вытолкнет еще несколько, и т. д. Возникает лавина («разряд»).

Хороший способ создать тонкую цепочку ионов — это пропускать через газ (жидкость или твердое тело) заряженную частицу с очень высокой энергией (ядро или электрон). Своим электрическим полем этот снаряд будет выбивать на пути электроны из многих атомов, оставляя тонкий след в виде ионизованного газа. Именно так поступают α-частицы и β-лучи радиоактивных атомов.

Фиг. 117. Очень быстрые заряженные частицы оставляют на своем пути след из ионов.

В одной из последующих глав мы расскажем, как можно сфотографировать этот след или воспользоваться им в счетчике Гейгера.

В слабом электрическом поле ионы движутся подобно падающим в воздухе частичкам пыли. Поле силы тяжести ускоряет частички пыли, но молекулы воздуха при каждом соударении отбирают часть приобретенной кинетической энергии. В среднем частичка теряет все, что приобретает за период между двумя соударениями, и кажется, будто она падает с постоянной скоростью, а ее вес компенсируется трением о воздух. С микроскопической точки зрения ее движение представляет собой целый ряд падений с ускорением, замедляемых соударениями. Если такая частичка обладает электрическим зарядом, ее можно «тянуть» электрическим полем. Для маленькой частички нетрудно сделать так, чтобы притяжение электрического поля намного превосходило притяжение поля силы тяжести (из-за малой массы). При этом частичка будет двигаться с гораздо большей постоянной скоростью. Но движение снова будет представлять собой серию прыжков с ускорением, замедляемых трением о воздух. (Именно так обстоит дело о крайне маленькими заряженными капельками масла при измерении заряда электрона в опыте Милликена.)

С электрически заряженными ионами во многом происходит то же самое. Ионы ускоряются электрическим полем до тех пор, пока не столкнутся с молекулами газа и не поделятся с ними дополнительной кинетической энергией, приобретенной от поля. Затем они вновь ускоряются до следующего соударения и т. д. (фиг. 118).

Фиг. 118. Путь иона в слабом электрическом поле.

В слабых полях соударения ионов упругие; приобретенной между двумя соударениями кинетической энергии недостаточно для создания других ионов. Они просто продолжают свой зигзагообразный путь, немного нагревая газ. Для создания дополнительных ионов они должны успеть набрать между двумя соударениями довольно много энергии, а для этого необходимо увеличить либо электрическое поле, либо длину свободного пробега.

В обычном воздухе разряд возникает в довольно сильном поле, скажем 3∙106 ньютон/кулон, но выкачайте половину воздуха и средний свободный пробег вдвое удлинится. На этом более длинном пути в поле ионы перед соударениями будут набирать вдвое больше энергии, так что для появления разряда потребуется поле вдвое слабее. А если выкачать 99,9 % воздуха, так что давление станет 1/1000 атм, то ионы будут размножаться гораздо более слабым полем. (Вывод: сжатый воздух — гораздо лучший изолятор, чем обычный.)

Приложите к металлическим электродам в длинной стеклянной трубке напряжение в 100 000 в и медленно выкачивайте из нее воздух. При атмосферном давлении в трубке ничего не произойдет. Но через разрядник снаружи будет проскакивать искра. При 1/100 атм в трубке появятся струящиеся разряды. При 1/1000 атм эти разряды захватят всю трубку. Теперь в трубке окажется сложное месиво нейтральных молекул и атомов (некоторые из них возбуждены), положительных ионов, движущихся в одном направлении, отрицательных, движущихся в другом, несущихся сломя голову электронов, рентгеновских лучей, ультрафиолетового и видимого света (он-то и «светит»). Покройте трубку изнутри минералом, который светится под действием ультрафиолетовых лучей, и вы получите современную люминесцентную лампу. Выкачайте воздух до 1/1000 000 000 атм, так что там останется очень мало светящихся молекул, и впустите туда неон до давления 1/100 атм. Получится трубка неоновой рекламы. Впустите туда несколько больше газа и уменьшите напряжение до величины, достаточной для возникновения разряда, и вы получите счетчик Гейгера.

Фиг. 119. Разрядная трубка.

Лет сто назад эта смесь ионов, или плазма, была простым словесным украшением того, что происходило в таинственных трубках с «электрическими разрядами». Полвека назад при выяснении атомной структуры плазма была рассортирована на составляющие. Независимо от состава газа в столкновениях отщеплялись отрицательные электроны. Остатки же атомов, положительные ионы, различались в зависимости от сорта газа как массой, так и цветом свечения. Но для использования электронов и ионов в атомной физике вам нужны кое-какие знания об электрических цепях (гл. 32) и электрических полях (гл. 33). После этого мы вернемся к электронам…. ионам…. атомам. А затем, используя «яростные» удары снарядов, вылетающих из атомов, будем изучать атомные ядра.

Фиг. 120. Разрядная трубка с газом при различных давлениях.

Вязкость (внутреннее трение в газах)

Трение при медленном движении в газе — это простая «передача» импульса между блуждающими молекулами. Измерение трения в газе рассказывает нам о размерах молекул газа. Допустим, что в газе медленно движется твердое тело, спокойно увлекая за собой близлежащие слои газа. Каждая молекула, ударяясь о тело, отскакивает от него, добавив к своему случайному движению движение тела вперед. Она отлетает, обогатившись направленным вперед импульсом, и переносит этот импульс на расстояние свободного пробега до первого столкновения. Там она отдает свою долю движения вперед, а затем либо снова она, либо ее «уполномоченные» возвращаются к движущемуся телу, но с меньшим количеством движения и вновь отскакивают, обогащенные движением вперед. Таким способом при каждом соударении с молекулой газа движущееся тело «за свой счет» увеличивает ее импульс «вперед». Растрачивая свой импульс, тело движется, как если бы его тормозила сила трения. Именно такое «разворовывание» импульса и является причиной внутреннего трения в газах. Блуждая в потоке, молекулы при столкновениях передают этот краденый импульс друг другу, пока он не достигнет внешних стенок.

Фиг. 121. Внутреннее трение в газе.

Медленно движущееся через газ твердое тело тормозится молекулами, «растаскивающими» его импульс

Предположим теперь, что газ откачали и в нем осталась лишь половина былого множества молекул. Как при этом изменится сила трения? Теперь о движущееся тело ударяется и уносит его импульс в два раза меньше молекул. Сила трения за этот счет должна быть вдвое меньше. Однако средний свободный пробег будет вдвое больше, так что возвращающиеся молекулы приходят от (вдвое) более далеких слоев и, следовательно, приносят меньший импульс. Каждая молекула за счет этого должна быть гораздо более эффективна при «отбирании» направленного вперед импульса, и трение в газе должно возрасти. Детальная проверка показывает, что оба механизма полностью компенсируют друг друга: прирост за счет удвоения среднего свободного пробега полностью съедается уменьшением вдвое числа молекул. (Прочитайте на стр. 576 о «модели», иллюстрирующей внутреннее трение в газе.) «Воришек», растаскивающих импульс, стало наполовину меньше, но ловкость каждого из них вдвое возросла — теперь каждый уносит вдвое больше. Отсюда удивительное предсказание: внутреннее трение в газе не должно зависеть от давления. Это кажется абсурдным, ибо получается, что когда мы выкачиваем из сосуда весь воздух, пылинки будут падать, а маятник будет замедляться с одинаковой скоростью при 1 атм и при 1/2, 1/4, 1/10, 1/100, 1/1000 … атм! Для маленьких предметов это действительно верно в широкой области давлений. Проверьте, хотя сделать это не просто.

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ

Опыт 1. Ко дну стеклянной колбы прикреплен тоненький кварцевый (из чистого расплавленного песка) стебелек о маленьким набалдашником. Если запустить этот крошечный маятник, он будет колебаться, но трение о воздух о течением времени уменьшит амплитуду его колебаний. Выкачивая все больше и больше воздуха, мы обнаружим, что затухание из-за трения в воздухе остается почти одним и тем же, как и предсказывает кинетическая теория. Однако это не может быть верно до самого конца, т. е. до полного вакуума. Наша теория должна лопнуть, она сама же предсказывает свой крах. Трение будет оставаться неизменным, пока средний свободный пробег увеличивается пропорционально уменьшению числа молекул. Но когда выкачано столько газа, что средний свободный пробег сравнивается с размерами колбы, дальнейшее выкачивание уже не будет увеличивать пробега, а лишь уменьшит число переносчиков импульса. Так что внутреннее трение постоянно вплоть до давлений, при которых длина свободного пробега порядка размеров колбы; при меньших давлениях внутреннее трение будет падать до нуля. Этим можно воспользоваться для оценки среднего свободного пробега. Выкачивайте воздух из колбы до тех пор, пока амплитуда колебаний маятника не перестанет уменьшаться. Измерьте давление оставшегося в колбе воздуха и радиус колбы. Затем найдите средний свободный пробег при атмосферном давлении.

Опыт 2. Вот запись данных одного опыта. Радиус сферической колбы составлял 0,10 м. Внутреннее трение было почти постоянным, начиная от 1 и до 0,00001 атм. При давлении в 1 миллионную долю атмосферы трение заметно уменьшилось. Следовательно, при  1 / 1000 000 атм свободный пробег составляет 0,10 м. При 1 атм давление и плотность будут в 1 000 000 раз больше (закон Бойля), а средний свободный пробег в 1 000 000 раз меньше. Поэтому он равен (0,1 м)∙(1 000 000), или 10 -7  м, т. е. 1000 А°.

Эти данные подобраны так, чтобы получить правильный свободный пробег, и все же они вполне возможны. Настоящий эксперимент дает приближенные данные, и средний свободный пробег может оказаться в несколько раз больше или меньше. Средний свободный пробег можно найти из точных измерений скорости протекания газа через капиллярную трубку с тем же механизмом трения. Для атмосферного воздуха это дает около 10 -7  м, или 1000 А°.

Фиг. 122. Проверка независимости внутреннего трения в газе от давления.

а — высокое давление; б — низкое давление; в — при очень низком давлении средний свободный пробег превышает размеры колбы

Дальнейшее удаление газа уменьшает внутреннее трение. 

«Модель», иллюстрирующая внутреннее трение в газе

Механизм внутреннего трения в газах или вязкости можно проиллюстрировать следующей аналогией. Представьте себе железную дорогу. Имеется девять путей в направлении с севера на юг. По центральному пути на север идет скорый поезд с постоянной скоростью 100 км/час. По другим путям в том же направлении движутся длинные товарные поезда с открытыми платформами. Скорость соседних со скорым поездов 80 км/час, тех, которые идут по следующим путям, 60 км/час, затем 40 км/час и, наконец, крайних 20 км/час.

На каждой из платформ стоят по два человека и регулярно бросают с востока на запад теннисные мячи. Кроме того, они ловят мячи, которые им бросают с соседнего поезда, так что масса поездов не уменьшается и не увеличивается. По краям полотна тоже стоят люди, которые ловят мячи, бросаемые с крайнего товарного поезда, и отбрасывают их обратно. Имеются люди и на скором поезде, они тоже ловят теннисные мячи и бросают их на восток и на запад. Им ничего не известно о физике относительных скоростей, и, не учитывая своего движения, они метят прямо в соседний поезд, т. е. бросают мячи перпендикулярно направлению движения поезда. Поэтому брошенный с поезда мяч переносит как боковой импульс, так и импульс в северном направлении, соответствующий скорости поезда.

Мячи в среднем попадают в скорый поезд с той же частотой, что и вылетают из него, т. е. перебрасывание мячей не изменяет массы. Но оно уносит импульс.

Фиг. 123. Иллюстрация к приведенному примеру.

Каждый мяч, брошенный со скорого поезда, движется вперед (на север) со скоростью 100 км/час, и уносит некоторый импульс, направленный вперед. Каждый мяч, попадающий на скорый поезд с соседних товарных поездов, идущих со скоростью 80 км/час, приносит меньший импульс, направленный вперед. В итоге скорый поезд теряет больше импульса, чем получает. Это скажется в виде тормозящей поезд силы, и не компенсируй эту игру тяга локомотива, поезд затормозит. (Точки приложения силы — руки людей, когда они ловят возвращающиеся к ним мячи. Мяч движется вперед медленнее, чем человек, который должен выбросить вперед руки и смягчить удар. Когда человек ловит мяч, то ускоряет его до скорости поезда). Промежуточные поезда тоже теряют и приобретают мячи с одинаковой частотой, но в этой модели с одинаковой частотой идет потеря и приобретение ими импульса, ибо с одной стороны летят более быстрые мячи, а с другой — более медленные. Те люди, которые стоят по краям полотна, получают импульсы, направленные вперед, и испытывают силу, увлекающую их вперед.

Такова модель движения твердого тела в газе. Скорый поезд представляем собой движущееся тело, товарные поезда — прилегающие к нему слои газа, а мячи — летящие вбок молекулы.

Удалим теперь половину мячей и половину ловящих их людей, оставив половину платформ пустыми (так что мяч может пролетать на платформу на более удаленном пути). Прежде мяч всегда ловился на следующем пути. Теперь же в среднем до захвата он будет пролетать через соседний путь. Средний свободный пролет мяча удвоился! Скорый поезд теперь теряет мячи, летящие вперед со скоростью 100 км/час, а захватывает мячи, летящие вперед с двух более удаленных путей со скоростью только 60 км/час. Разность скоростей вместо 100—80 будет 100—60, так что каждый обмен мячами в среднем означает вдвое больший импульс. Однако вдвое уменьшилось и количество мячей. Тормозящая сила, следовательно, остается той же, мячей вдвое меньше, а вклад каждого в тормозящую силу вдвое больше.

Задача 15. Опыт Цартмана

а) Опишите по собственному рисунку способ, которым Цартман измерял скорости молекул.

б) Покажите на рисунке пленку в барабане.

в) Изобразите развернутую пленку и пометьте на ней ту запись, которую бы вы ожидали увидеть для газа, состоящего из молекул одного сорта.

г) Изобразите запись, которую вы ожидаете увидеть для смеси двух газов, — масса молекул одного из которых в 4 раза больше массы молекул другого. Подпишите ваши метки.

д) Объясните, как вы выбрали расстояние между метками.

Задача 16. Формула для опыта Цартмана

а) Допустим, что в атом опыте молекулы со скоростью v дают на пленке метку на расстоянии у от нулевой. Как изменится у , если v удвоится?

Как изменится у , если удвоить одну из следующих величин, оставив другие без изменения:

— скорость вращения барабана, R оборотов в 1 сек?

— радиус барабана r ?

— длину барабана по оси L ?

б) Выведите формулу для вычисления v из измерений у, R и т. д,

Задача 17. Вязкость

а) Когда небольшой предмет плавко движется в воздухе, увлекая его за собой, воздух оказывает «сопротивление внутреннего трения» и предмет останавливается. Опишите своими словами механизм внутреннего трения в газе с молекулярной точки зрения.

б) Если давление воздуха уменьшить вдвое, то как это скажется на скорости молекул, отраженных от движущегося тела, которая обусловливает тормозящую силу?

в) Если давление воздуха уменьшить вдвое, то как это повлияет, на средний свободный пробег молекул?

г) Почему вы думаете, что изменение среднего свободного пробега повлияет на трение движущегося тела?

д) Как, по-вашему, подействует на внутреннее трение уменьшение давления воздуха вдвое?

е) Какое вы предвидите при атом ограничение?

Задача 18. Молекулы в высоком вакууме

Используя упоминавшиеся в этой главе данные и считая радиолампу прямоугольным ящиком размером 2 см х 2 см х 5 см и объемом 20 / 10 6 м 3 , найдите;

а) Число молекул воздуха в нем при атмосферном давлении.

б) Число оставшихся молекул при обычном высоком вакууме (10 -9 атм).

в) Число соударений в 1 сек выделенной молекулы с другими в высоком вакууме.

г) Число ударов в 1 сек выделенной молекулы, о стенки лампы в высоком вакууме.

Задача 19. Модель газа

(Эта модель помогает получить представление о молекулах газа.) Допустим, что теннисный мяч, наполненный воздухом при атмосферном давлении, можно увеличить до размеров Земли, сохранив то же число «молекул газа», увеличенных в том же масштабе. Внутренний радиус мяча примите равным 0,032 м, а радиус Земли — 6,4∙10 6 м.

а) Дайте грубую оценку следующих параметров «молекул» в увеличенной модели: 1) диаметра, 2) среднего расстояния между ними, 3) средней длины свободного пробега.

б) Опишите указанные параметры в обыденных мерах типа «величиной с биллиардный шар» или ша расстоянии вытянутой руки».

Задача 20. Отражение и энергия

а) Внутри тонкостенного резинового мячика находится атмосферный воздух. Мячик с силой ударился о массивную стенку и отскочил от нее. Воспользовавшись своим знанием кинетической теории, опишите изменения, происходящие с воздухом во время удара о стенку и отражения.

б) Если кусочек свинца ударяется о стальную мишень, он нагревается. Но если о мишень ударяется летящий с той же скоростью резиновый мячик и отскакивает от нее (почти с прежней скоростью), он едва ли нагреется. Обсудите эту разницу.

Задача 21. Диффузионный насос

Ртутный (или масляный) диффузионный насос особенно хорош для откачивания остаточного водорода или гелия. Допустим, что массивная молекула ртути и некая легкая молекула испытывают лобовое столкновение. Предскажите их движение после столкновения. (Посмотрите задачу в конце гл. 26 .) Опишите, как такие столкновения приводят к быстрому откачиванию.