Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух… - Кин Сэм - Страница 45

Естественно, что такой человек, как Гей-Люссак, любил рисковать и не упускал возможности подняться на воздушном шаре. В одном знаменательном полете в августе 1804 г. он поднялся в небо в компании физика Жана-Батиста Био. Формально Био выполнял функцию второго пилота, однако бо́льшую часть времени занимался тем, что измерял силу магнитного поля Земли на разных высотах (к его удовольствию, магнитное поле было достаточно сильным даже на высоте нескольких километров; в отличие от температуры и давления, сила магнитного поля слабо зависит от высоты). А Гей-Люссак тем временем собирал материал для изучения химического состава верхних слоев атмосферы. Для этого на разной высоте он должен был открывать пустые пробирки, а потом закрывать их, чтобы потом на земле провести анализ воздуха.

Так они поднимались, занимаясь своими делами, пока Био вдруг не сделалось плохо. Он вообще был не в очень хорошей спортивной форме, а тут внезапно повалился как подкошенный. В конечном счете все обошлось, но можете себе представить ужас Гей-Люссака. Одновременно управляя шаром и приводя в чувство Био, он позабыл о своих пробирках. Упущенная возможность не давала ему покоя, и через три недели он отправился в полет в одиночестве. Новый шар поднимался быстрее, Био в качестве балласта в корзине не было, так что Гей-Люссак поднялся на невероятную высоту около 7 км (его рекорд продержался полстолетия). На этой высоте он вполне мог погибнуть от кислородной недостаточности, но поборол страх и сумел заполнить несколько пробирок разреженным воздухом. Проведенный позднее анализ показал, что даже на большой высоте состав воздуха остается таким же, как на уровне моря. Другими словами, хотя воздуха на высоте меньше, соотношение азота, кислорода и других газов в нем не меняется.

Однако по мере того как химикам с помощью неуправляемых воздушных шаров удавалось анализировать все более высокие слои атмосферы, они начали понимать, что с увеличением высоты воздух все же изменяется, но гораздо более сложным образом. Атмосферу условно разделили на четыре слоя, располагающиеся один над другим. Нижний слой, в котором мы живем, тропосфера, поднимается от поверхности Земли примерно на 15 км (в зависимости от широты и сезона). Именно здесь происходят все погодные явления. Выше, на высоте до 45 км, располагается стратосфера, содержащая озон. Дальше следует мезосфера, в которой сгорают метеориты; она простирается на высоту до 75 км. И, наконец, следует легчайшая термосфера, где рождается северное сияние. Протяженность этого слоя достигает 800 км. Кажется, что на такой головокружительной высоте уже начинается космос, однако антигравитационный автомобиль способен преодолеть такое расстояние всего за семь часов. Впрочем, вряд ли такое путешествие окажется привлекательным: примерно половина массы земной атмосферы сосредоточена на уровне ниже 7 км. А на высоте 12 км (не дальше, чем обычная воскресная пробежка) содержание кислорода снижается вчетверо по сравнению со значением на уровне моря, так что жить в таких условиях просто невозможно. Древнегреческие ученые полагали, что в небесах воздух улучшается, достигая совершенства. На самом деле мы живем внутри невероятно тонкой воздушной оболочки, гораздо более тонкой, чем кожура яблока по отношению к яблоку.

Кроме изучения атмосферы, Гей-Люссак активно занимался лабораторной работой и смог открыть еще один газовый закон. Этот закон гласит, что с повышением давления газа обязательно повышается и его температура. И если вас посетило ощущение déjà vu (этот закон, по сути, идентичен закону, связывающему температуру и объем газа), вы не одиноки. Во времена Гей-Люссака многие химики начали замечать, что поведение газов в любых ситуациях неизменно описывают одни и те же параметры: температура, давление и объем. Совершенно естественно, возникало желание объединить все газовые законы в одном общем «верховном законе». Прошло еще несколько десятков лет, но в 1830-х гг. ученые наконец нашли так называемый объединенный газовый закон. Итак. Если объем газа обозначить через V, температуру через T, давление через P, а количество через n и ввести арифметическую константу R, поведение любого газа можно описать следующим уравнением: PV = nRT.

Возможно, эта формула не поражает воображение (подозреваю, что при взгляде на нее вас не ослепило, как при взгляде на солнце). Но поверьте моим словам: это уравнение сродни нитроглицерину — такая в нем заключена мощь. При умелом обращении эта формула может рассказать массу вещей о поведении газов: как температура влияет на объем, как объем влияет на давление, а также о любом другом сочетании параметров. Не менее важно, что в этом уравнении в неявном виде содержится и другая информация. Предположим, вам кажется, что датчик давления на каком-то резервуаре на вашем производстве барахлит, и вы опасаетесь взрыва. Что делать? Нужно измерить объем резервуара, температуру, и, voilà, с помощью объединенного газового закона вы можете рассчитать давление. Другими словами, если вам известны другие параметры, давление определяется автоматически. А если у вас испортился термометр, уравнение позволит определить температуру. Это может показаться жульничеством: вы измеряете один параметр, а получаете другой, как будто определяете цвет объекта по его весу. На самом деле связь между давлением, температурой и объемом газа, которая на первый взгляд может показаться весьма зыбкой, существует на более глубоком, более фундаментальном уровне. И закон объясняет, в чем она заключается.

Газовый закон раскрывает совершенно новый аспект физики газов. Пристли, Лавуазье и Дэви искали различия между газами: каковы их запахи, горючесть или влияние на нашу физиологию. Но газовый закон применим ко всем газам в равной степени. Он запрещает все разговоры о различиях — это демократический закон. Облако водорода состоит из микроскопических молекул-комариков, облако радона — из гигантских шмелей, но при нагревании оба расширяются одинаковым образом. Облако азота спокойно и неактивно, облако хлора обжигающе токсично. Но если сдавить эти облака, они сожмутся идентичным образом. Разные твердые вещества и разные жидкости ведут себя очень по-разному, за исключением очевидного факта, что они твердые или жидкие. Но газы невероятно похожи друг на друга. На физическом (но не на химическом) уровне все газы ведут себя одинаково.

Научное открытие — одно из высочайших достижений человеческого разума: человек смотрит на жужжащий и мельтешащий перед глазами мир и находит в нем незыблемые сущности. Закон PV = nRT является такой «сущностью» в большей степени, чем многие другие научные принципы. Эти пять букв описывают любой газ. Раньше объединенный газовый закон иногда называли законом состояния идеального газа. И мне нравится это название, поскольку закон позволяет нащупать что-то абсолютное, вечное и неизменное, что-то поистине идеально работающее в нашем переменчивом мире.

Вот такая красота, но я все же вынужден признаться: мои последние слова были ложью. Красивой ложью, удобной и, может быть, даже благородной, но все-таки ложью. Поскольку, как только вы переходите к изучению реальных газов, настоящих, таких как воздух, которым вы дышите в данный момент, выясняется, что их поведение в какой-то степени отличается от поведения идеального газа. Как окружность, которую вы чертите на бумаге даже с помощью циркуля, никогда не будет такой ровной и симметричной, как идеальная окружность. Химикам это, конечно же, известно, и когда они проводят расчеты с помощью закона идеального газа, они знают, что реальность окажется чуточку иной. Причем поведение одних газов больше походит на поведение идеального газа, а других меньше. По этой причине, когда двое ученых в 1890-х гг. обнаружили несколько почти идеальных газов (настолько близких к идеальному газу, как никакие другие в нашем мире), большинство ученых отказывались в это поверить. Они считали, что таких безупречных веществ просто не бывает.