Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид - Страница 8

И, наконец, остаются газы. Они очень рассеяны и по большей части невидимы, так что часто вы даже их не замечаете – вы ведь не чувствуете воздуха, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эту книгу? Но, конечно же, воздух в какой-то степени ощутим. Скажем, если вас застигла буря, вы можете ощутить, как он на вас давит, а иногда получается уловить запах газа (скажем, аромат кофе) – видимо, нечто все же входит с вашими чувствами в контакт.

Более того, газы также состоят из частиц, но таких, которые совершенно свободны от соседей и далеки от соприкосновения. Сжать газ относительно легко (представьте, как накачиваете велосипедную шину), поскольку между частичками много свободного пространства. Например, в атмосфере Земли частицы воздуха отделены друг от друга расстоянием, примерно в десять раз превышающим их диаметр, и могут свободно летать куда угодно, отталкиваясь друг от друга при встрече, словно бильярдные шары. Если вы накачаете шины своего велосипеда до рекомендуемой величины в 7,9 атмосферы, то вы только что сжали воздух в два раза во всех трех направлениях, так что расстояние, разделяющее частицы, теперь превышает их диаметр не в десять, а лишь в пять раз. Давление внутри вашей шины теперь в восемь раз больше, чем у окружающего воздуха, поскольку воздушные частицы ударяются о стенки шины в 2 × 2 × 2 раза чаще. Чтобы сконцентрировать водяной пар в жидкую форму, частицы должны сблизиться в 10 × 10 × 10 = 1000 раз, и именно поэтому вода в 1000 раз плотнее воздуха (примерно 103 кг/м3 против 1 кг/м3).

И вот что у нас получается. Три состояния, или «фазы», вещества не показывают фундаментальных различий в свойствах частиц, из которых это вещество состоит. Эти частицы просто могут находиться на четко определенных местах, слабо соприкасаться и проскальзывать друг над другом или свободно витать в пустом пространстве. Вода остается водой вне зависимости от того, пребывает ли она в твердой форме (лед), жидкой (вода) или газообразной (пар), а переходы между этими формами – это лишь вопрос изменения взаимных пространственных отношений, в которые вступают между собой частички воды.

Температура: мера движения

В рассуждении о переходах, которые вещество может совершать между различными состояниями, мы должны ненадолго отклониться от прямого пути и поговорить, во‐первых, о нашей модели для понимания тепла, а во‐вторых, о системе измерений, которую мы используем для его описания. Как нам известно из повседневного опыта, твердая форма воды (лед) – холодная, а газообразная форма (пар) – горячая. Но что такое «холодный» и «горячий»? Оказывается, это просто слова, необходимые нам, чтобы выразить характер относительного движения наших элементарных частиц: горячий = быстрый, а холодный = медленный. То, что мы называем температурой, – это просто непосредственная мера средней энергии движения, также называемой «кинетической энергией» (см. гл. 4) этих частиц.

Элементарные частицы воды в кубике льда соприкасаются друг с другом. Они закреплены на месте, но вибрируют (если угодно, дрожат) со скромным количеством энергии в расчете на частицу. Если поднять температуру, частицы будут вибрировать быстрее. Если повысить ее до достаточного уровня, то связи, удерживающие частицы на местах, разорвутся, и тогда частички смогут свободно скользить друг над другом, а мы получим жидкость. Это происходит, когда температура достигает 32 °F, или 0 °C. Продолжая нагревать воду, мы заставляем частицы двигаться быстрее и быстрее, до тех пор, пока, при 212 °F или 100 °C, они не разлучатся с соседями окончательно и не получат возможность свободно улетучиться прочь в форме газа.

При той или иной температуре не все частицы вещества движутся с абсолютно одной и той же скоростью; некоторые перемещаются быстрее, чем все в среднем, а некоторые – медленнее. Распределение скоростей (или, более точно, кинетических энергий = ½ mv2) отражено в виде кривых, представленных на рис. 3.1. Поскольку ни одна частица не может двигаться медленнее нуля, распределение немного асимметрично, а несколько частиц движутся намного быстрее среднего значения (например, если одна ничего не подозревающая частичка водяного пара получит удар от четырех других, пришедших слева, она с высокой скоростью устремится вправо). Но в общем и целом энергия большинства частиц не превышает среднее значение более чем в два раза3.

Температурные шкалы, которыми мы пользуемся для измерения энергии частиц, как и большая часть единиц измерения, условны. Нулевую отметку на шкале Фаренгейта определил в 1724 году сам Фаренгейт – она обозначала самую холодную температуру, которой он смог добиться, смешав воду, лед и соль (письменные свидетельства не сообщают, сумел ли он в ходе этого эксперимента изготовить хотя бы немного мороженого). Определение градуса, данное им, было совершенно произвольным, из-за чего точка замерзания воды на его шкале пришлась на отметку в 32 °F, а точка кипения – на отметку в 212 °F. Даже эти величины применяются лишь на уровне моря (например, в Денвере вода закипает при 190 °F, а в Ла-Пасе, Боливия, – при 203 °F)4. Стоградусную шкалу (также называемую шкалой Цельсия) изобрел двумя десятилетиями позже шведский астроном Андерс Цельсий. На ней точку замерзания и кипения воды разделили 100 градусов; для сравнения, на шкале Фаренгейта эти две отметки разделены промежутком в 180 градусов, тем самым каждый градус Цельсия равен 9/5 (180/100) градуса Фаренгейта.

Обе эти шкалы были приняты задолго до того, как мы поняли, что же на самом деле измеряет «температура». Теперь, когда нам известно, что она представляет собой меру кинетической энергии частиц, единственной разумной шкалой могла бы стать такая, на которой нулевая отметка обозначала бы состояние полной остановки их движения (v = 0, следовательно, кинетическая энергия = 0). Эта шкала, благоразумная с точки зрения физики, названа в честь лорда Кельвина – создателя современной модели для нашего представления о тепле. Он принял градуировку, предложенную Цельсием, так что точку замерзания воды и точку ее кипения на уровне моря по-прежнему разделяли 100 градусов, но точка нулевого движения была установлена на отметке в –273,16 °C. Поэтому мы говорим, что вода замерзает при 273 К (строго говоря, эти единицы измерения называются не градусами Кельвина, а кельвинами) и закипает при 373 К. Температура поверхности Солнца – 5780 К, а комфортная температура в комнате составляет 68 °F = 20 °C = 293 K.

Эта модель обладает невероятной объяснительной силой. Например, если вы выпекаете печенье с шоколадной крошкой, то ваша духовка, скорее всего, установлена на температуру в 190 °C. Если вы откроете дверцу, чтобы посмотреть, готово ли печенье, и случайно коснетесь подставки, на которой располагается противень, то получите ожог. Почему? Просто частицы, из которых состоит металл противня, вибрируют с высокой скоростью, из-за чего со всей силы врезаются в частицы вашей кожи и разрывают их на части, превращая их… ну, в обожженные частицы кожи. Но постойте, почему вы вообще можете сунуть руку в духовку, нагретую до 190 °C? Разве частицы воздуха не движутся с такой же быстротой? Да, движутся, но, как уже говорилось выше, в расчете на каждый квадратный сантиметр вашей кожи их в воздухе в 1000 раз меньше, и пусть даже он может повредить несколько частичек вашей кожи, вы все равно избавитесь от них через несколько дней, так что никакого вреда не будет. Впрочем, если бы вы оставили руку в духовке не на краткую секунду, а, скажем, на 20 минут (иными словами, продержали бы ее там в 1000 с лишним раз дольше), то ваша рука действительно бы стала похожа на подгорелое печенье с шоколадной крошкой. Заметим, что вы реально чувствуете тепло духовки, когда суете туда руку. Так происходит именно потому, что частицы воздуха в духовке летают намного стремительнее, чем частицы воздуха в комнате, и их более энергичные соударения с вашей кожей приводят к тому, что вы ощущаете «тепло».