Что такое теплота? Казалось бы, на этот вопрос ответить легко. «Тепло» и «холодно» — эти понятия имеют такую же давность, как и человеческий род, однако люди долгое время не могли объяснить причин возникновения тепла, не могли разобраться в самой природе тепловых явлений.

Давно было замечено, что при со­прикосновении двух тел тепло пе­реходит от более горячего к более холодному и температура обоих тел выравнивается. Это свойство поро­дило взгляд, будто тепло является некоей невесомой жидкостью — «теплородом». Такой взгляд долгое время господствовал среди ученых, и еще в начале XIX в. некоторые физики считали, что «теплород» в большем или меньшем количестве содержится в каждом горячем теле и может как бы «переливаться» в тело более холодное, пока не уста­новится одинаковый уровень тем­ператур.

Но еще в глубокой древности лю­ди заметили, что тепло может не только переходить от одного тела к другому, но и возникать при тре­нии тел. На этом был основан один из способов добывания огня еще в доисторическую эпоху. Однако это явление долгое время не подверга­лось сколько-нибудь внимательному научному исследованию. В 1798 г. им заинтересовался американец Румфорд, работавший в арсенале. Румфорд поразился громадным количеством тепла, которое выделялось при сверлении пушек. Тепла было гак много, что после двухчасового сверления вода, в которую была опущена металлическая болванка, закипала! Румфорд занялся исследова­нием этого явления и обнаружил, что путем трения можно извлечь из всякого тела любое количество теп­ла. Даже куски льда могут быть расплавлены простым трением друг о друга.

Почти за полвека до Румфорда, в середине XVIII в., гениальный рус­ский ученый М. В. Ломоносов высказал предположение, что теплота происходит от движения «ничтож­ных частичек» тела. Опыты Румфор­да и других исследователей целиком подтвердили это блестящее предпо­ложение. Эти опыты совпали с по­явлением новой научной теории, утверждающей, что всякое вещест­во состоит из мельчайших частиц — молекул, причем молекулы любого тела всегда находятся в движении. Движение молекул беспорядочно, среди них есть и более быстрые и более медленные. Средняя скорость этих молекул и характеризует тем­пературу тела: чем больше скорость, тем выше температура. В результате трения или ударов молекулы тела убыстряют свои движения и тем са­мым вызывают повышение темпера­туры. Этим объясняется также, по­чему железный брус под ударами молота может разогреться до крас­ного каления: сильные удары моло­та вызывают бесчисленное количе­ство движений мельчайших ча­стиц — молекул металла; недаром знаменитый ученый Лейбниц образ­но уподобил это явление размену крупных монет на мелкие.

Новая теория позволила легко объяснить многие явления, сопро­вождающие нагревание. Теперь ста­ло понятно, почему, например, тело при нагревании расширяется: моле­кулы его приходят в более быстрое движение, и промежутки между ни­ми увеличиваются.

С появлением новой теории ста­ло понятно, почему тело при изме­нении температуры переходит из твердого состояния в жидкое, газо­образное и обратно. Под влиянием нагревания молекулы твердого тела постепенно убыстряют свои колеба­ния и в конце концов начинают схо­дить со своих мест. Сила взаимного притяжения молекул ослабляется, тело теряет форму, плавится, пре­вращается в жидкость. Легко объ­ясняется и испарение жидкости: среди молекул жидкого тела попа­даются более быстрые, обладающие такой энергией движения, что они вырываются из жидкости и вылета­ют в окружающее пространство. При этом с потерей быстрых моле­кул средняя скорость оставшихся естественно уменьшается, вот поче­му при испарении жидкость всегда охлаждается.

Если мы станем нагревать жид­кость еще сильней, процесс испаре­ния ускорится, и вся жидкость начнет кипеть — переходить в пар, в газ. В газах молекулы движутся на­иболее интенсивно и так далеко на­ходятся друг от друга, что проме­жутки между ними в тысячи раз больше самих молекул, и сила вза­имного притяжения перестает оказы­вать свое действие.

Передача тепла от одного тела к другому, которую раньше представ­ляли как «перетекание теплорода», также легко объясняется с точки зрения движения молекул. Если мы будем нагревать металлический стер­жень в любом его конце, тепло бы­стро распространится по всему стержню. Это вызывается так на­зываемой теплопроводностью: бы­стро колеблющиеся молекулы нагре­той части стержня раскачивают соседние, более медленные, т. е. «холодные», молекулы; те в свою очередь передают эти колебания дальше, и так до конца стержня.

Теплопроводность у различных тел различна. Она высока у метал­лов и очень мала у таких тел, как, например, дерево, резина, вода, воз­дух. Всем известно, что если разо­гревать воду в пробирке сверху, то можно довести верхний слой воды до кипения, в то время как кусочки льда, брошенные на дно пробирки, останутся нерастаявшими. Если же разогревать сосуд с водой снизу, то тепло быстро распространится по всей воде. Это происходит потому, что горячая вода, расширяясь, ста­новится легче, поднимается наверх и, смешиваясь с холодной, быстро передает ей свое тепло. К медленно движущимся молекулам холодной воды прибавляются быстро движу­щиеся молекулы горячей, от чего средняя скорость движения моле­кул, а следовательно, и температура повышаются. Такая передача тепло­ты называется конвекцией.

Итак, мы видим, что для передачи тепла необходимо движение молекул. Но как же объяснить передачу солнечного тепла к нам на землю через «пустое» межпланетное про­странство, где количество молеку так ничтожно, что они вряд ли могут служить промежуточной средда для передачи движения? Чем объяс­нить, что ладонь руки, обращенная к печке, чувствует тепло, в то вре­мя как другая сторона руки остает­ся холодной? Такая передача тепла происходит с помощью особых теп­ловых лучей, которые испускает вся­кое тело при нагревании. Тепловые лучи возникают благодаря движе­нию молекул нагретого тела. Движе­ние молекул вызывает колебания окружающей среды —эфира, который заполняет все мировое про­странство, в том числе и межпла­нетное.

Всем известно, что при нагрева­нии железо начинает раскаляться и светиться сначала красным, затем оранжевым и наконец белым све­том. Но задолго до того, как тело достигает тёмнокрасного каления, оно начинает испускать из себя вол­ны «невидимого света» — тепла. От температуры тела зависит и длина испускаемых тепловых волн: чем ни­же температура тела, тем волны длиннее. По мере нагревания повы­шается частота колебаний, и волны становятся короче. Наконец к те­пловым волнам примешиваются еще более частые и короткие волны — световые, которые вызывают у нас зрительное ощущение.

Таким образом, колеблющиеся мо­лекулы нагретого тела порождают электромагнитные колебания — теп­ловые лучи. В свою очередь эти тепловые лучи, падая на поверх­ность какого-либо тела, раскачивают его молекулы и увеличивают их скорость, т. е. вызывают тепло.

Тепловые лучи обладают многими свойствами лучей световых: они мо­гут преломляться, проходить через линзы, отражаться от зеркал. Всем, например, известно, что тепловые лучи солнца, пропущенные через лу­пу, собираются в одном фокусе и легко воспламеняют помещенную в этом месте спичку или бумагу.

Однако стекло, прозрачное для света, значительно менее прозрачно для тепловых лучей. Для опытов с ними приходится пользоваться лин­зами из других веществ, как, напри­мер, из поваренной соли или из минерала флюорита. Такие линзы поч­ти совершенно не задерживают теп­ловых лучей. При помощи фотоап­парата, снабженного такой линзой и особой пластинкой, чувствительной к тепловым лучам, можно фотогра­фировать в темноте предметы, испу­скающие невидимые тепловые лучи, Этим свойством пользуются, например, для обнаруживания ночью не­приятельских самолетов или встреч­ных судов в тумане.

Под действием одних и тех же тепловых лучей разные тела нагре­ваются различно. У некоторых ве­ществ молекулы настроены как бы в унисон с колебаниями тепловых волн и поэтому более легко подда­ются их воздействию. Пройдя, на­пример, через слой воздуха, тепло­вые лучи почти не раскачают его молекул, другими словами, воздух для них почти прозрачен. Но прой­дя через пары воды, тепловые лучи, поглощаются ими и значительно рас­качивают молекулы, отчего водяной пар начинает нагреваться.

Ясно, конечно, что лучистая энер­гия может превратиться в тепло­вую только тогда, когда встретит на своем пути молекулы, движение которых и вызывает ощущение теп­ла. Таким образом, пустота не мо­жет иметь никакой «своей», темпе­ратуры, и всякое тело, помещенное в пустоту, будет иметь ту темпера­туру, которая соответствует воздей­ствию тепловых лучей на его моле­кулы. Таким образом, если в межпланетном пространстве поместить различные термометры — ртутный, спиртовой, газовый, электрический и т.д. Все они покажут разную температуру, потому что спирт, газ, ртуть и другие вещества по-разному поглощают тепловые лучи, или, вер­нее, колебания тепловых волн по-разному «раскачивают» их моле­кулы.

В конце XVII в. известный физик Денис Папин наблюдал температуру воды, кипящей в закрытом котле. При этом он с удивлением заметил, что вода в котле закипает не при 100°, а при гораздо более высокой температуре. Это явление находит свое объяснение в том, что, созда­вая давление на поверхности воды, мы затрудняем выход быстро дви­жущихся молекул из жидкости, т. е., другими словами, затрудняем испарение. Наоборот, если мы будем охлаждать газ под большим давлентем сможем превратить его в жидкость значительно легче и ско­рей. В этом случае давление, сбли­жая молекулы, содействует их столк­новению и сцеплению, помогает процессу сжижения.

Воздух, представляющий собой смесь газов, может быть превращен в жидкость при температуре—190°. Если же его подвергнуть давлению в 40 атмосфер, то воздух станет жидким уже при температуре—140°. Правда, для каждого газа сущест­вует своя предельная «критическая температура». Если температура га­за будет выше этого критического уровня, его не удастся превратить в жидкость ни при каком давлении.

Самая низкая температура, наблю­даемая на земле в естественных условиях, достигает—80°. Но при такой температуре можно превра­щать в жидкость лишь очень не­многие из известных нам газов. Лю­ди нашли способы добиться значи­тельно более низких температур. Для этого применяется, например, быстрое испарение легко сжижаю­щихся газов. Предварительно газ сжижают под большим давлением, затем, уменьшив давление, заставля­ют газ быстро испаряться. При этом молекулы уносят с собой такое ко­личество тепла, что оставшийся, не успевший испариться жидкий газ может даже превратиться в твердое тело.

Постепенно ученые научились по­лучать все более низкие температу­ры, превращать в жидкость и даже в твердые тела всевозможные газы, с большим трудом поддававшиеся сжижению. Но есть ли вообще ка­кой-либо предел охлаждения? Оче­видно, если скорость молекул может расти вверх беспредельно, то убы­вать она может лишь до тех пор, пока движение молекул не станет равным нулю, т. е. пока молекулы не остановятся. Эта температура, на­званная абсолютным нулем, по вы­числениям ученых составляет -273°. .

В последнее время, работая по сжижению гелия, ученые сумели по­лучить температуру, отстоящую меньше чем на 1° от абсолютного нуля. При этих сверхнизких, так на­зываемых «гелиевых» температурах вещества получают совершенно осо­бые, неожиданные свойства. Так, например, многие тела, которые в обычных условиях почти не обла­дают магнитными свойствами, при гелиевых температурах сильно при­тягиваются магнитами. Совершенно изменяется упругость тел. Свинцо­вый шарик, охлажденный до—200°, при падении на пол подпрыги­вает, как резиновый, и наоборот, ре­зиновый мяч при этой температуре, упав на пол, разбивается вдребезги. Многие тела — вата, слоновая кость, яичная скорлупа — начинают све­титься, если их, подержав предвари­тельно на солнце, поместить в жидкий воздух. При температуре, близ­кой к абсолютному нулю, некоторые металлы получают свойства сверх­проводимости: электрический ток, идущий по ним, не встречает ника­кого сопротивления и, раз возбуж­денный, существует долгое время, если даже убрать источник тока. По сверхохлажденному проводнику мы можем пропустить ток чрезвычай­но большой силы и не обнаружим при этом почти никакого нагревания проводника.

Исследования веществ, охлажден­ных до сверхнизких температур, по­казали, что вблизи абсолютного ну­ля теплоемкость тел становится рав­ной нулю, т. е. бесконечно малое количество тепла оказывается до­статочным, чтобы поднять темпера­туру тела. Это приводит к тому, что практически мы не можем получить температуры, равной абсолютному нулю, так как не в состоянии убе­речь нашу установку от попадания в нее бесконечно малых количеств тепла извне.

Движение может переходить в тепло, но возможен ли обратный пе­реход тепла в механическое движе­ние, в работу? Конечно, возможен. Во всех наших двигателях — паро­вых машинах, турбинах, дизелях — мы наблюдаем такой переход тепла в работу. Конечно, при этом в ра­боту переходит не все тепло: часть его теряется непроизводительно.

Установлено, что каждые 427 ки­лограммометров работы, переходя в тепло, всегда дают одну большую калорию тепла. Но обратно мы мо­жем перевести в полезную работу только часть этогр тепла, остальное остается неиспользованным.

Похожие статьи:

1. ДЖОУЛЕВО ТЕПЛО
2. Холод ускоряет развитие
3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
4. Термогенез у теплокровных животных
5. Рассмотрение строения биомембран