В знойные летние дни нам бывает очень жарко. Если на пляже мы бегаем босиком, то чувствуем нагретый тесок, он буквально жжёт подошвы ног. В жару очень приятно охладиться в реке или море, неплохо полизать эскимо. А задумывались ли вы когда-нибудь над тем, почему одни тела горячие, а другие — холодные? И вообще что такое теплота? Давайте вместе попробуем ответить на эти вопросы.
Известно, что все окружающие нас тела состоят из атомов. В предыдущих статьях мы уже познакомились с тремя состояниями вещества — твёрдыми телами или кристаллами, жидкостями и газами. Они отличаются между собой атомным строением. В кристаллах атомы расположены в определенном порядке очень близко друг друга. В жидкостях атомы тоже расположены близко друг к другу; но уже не так тесно связаны между собой и могут свободно перемещаться. В газах атомы расположены на большом расстоянии друг от друга и почти совсем Не связаны между собой.
Однако и кристаллы, и жидкости, и газы могут быть горячими и холодными. Камешек, лежащий на солнце, или нагретый утюг — горячие. Но тот же камешек, лежащий на дне ручья, или выключенный утюг, стоящий в шкафу — холодные. Мы моемся горячей и холодной водой. Летом дует тёплый ветер, а зимой — холодный, морозный. Чем же отличаются тёплые тела от холодных? Внутри их, видимо, что-то происходит, если один раз они холодные, а другой раз — тёплые.
Рассматривая атомное строение тел, для упрощения мы намеренно умолчали об очень важном факте: все атомы — и в кристаллах, и в жидкостях, и в газах — находятся в беспрерывном движении. Они колеблются, «прыгают» или мчатся вперёд. В газах атомы «бегают» хаотически, они сталкиваются между собой и разлетаются в равные стороны. Создается впечатление, что они играют в «салочки». В жидкостях между отдельными атомами значительно меньше свободные пространства, но атомы тоже подвижны, они перемещаются относительно друг друга, расталкивают соседей. Ни один из них не может спокойно усидеть на месте. В кристаллах атомы менее подвижны, и мы уже не видим хаотического движения каждого из них. Они перемещаются организованно, группами, как бы держась за руки. Для кристаллов характерно волновое движение частиц. И как раз это непрерывное движение атомов способствует тому, что одни тела бывают теплыми, а другие — холодными.
Ребята, представьте себе два стакана, один с холодной водой, а второй — с горячей. Заглянем внутрь их, пользуясь совершенным микроскопом, в холодной воде молекулы, каждая из которых состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, движутся очень лениво. Они вялы и малоэнергичны.
Зато в стакане с горячей водой молекулы прыгают, как «ошпаренные». Они обладают огромным запасом энергий. Следовательно, от того, насколько энергичны молекулы и как быстро они могут передвигаться, зависит температура воды. Аналогичное явление мы наблюдаем в твёрдых и газах. В любом горячем теле атомы или молекулы движутся очень быстро. И, наоборот, в холодных телах атомы ленивы и малоподвижны.
Теперь давайте проследим, Что же происходит при нагревании какого-нибудь тела, например, металлического стержня? Если он холодный, значит атомы, из которых он состоит, колеблются спокойно. Подогревая один конец стержня над спиртовкой, мы замечаем, что не сразу весь стержень будет тёплым. Сначала атомы будут быстрее колебаться лишь в том конце, который мы подогреваем. И лишь позднее, при столкновении с соседями они начнут передавать свою энергию всё дальше и дальше. Спустя некоторое время и второй конец стержня, за который мы держим, тоже станет горячим.
Не все тела одинаково проводят тепло. Некоторые из них нагреваются очень медленно, так как тепло плохо распространяется в них. Наилучшей теплопроводностью обладают металлы, а среди них — серебро и медь. Хуже проводят тепло неметаллические твёрдые тела, ещё хуже — жидкости, совсем плохо — газы. Думаю, всем понятно почему. Ведь в кристаллах и жидкостях атомы, расположенные близко друг к другу, могут свободно передавать свою энергию, а в газах передача энергии происходит лишь при столкновении атомов, причём они должны преодолеть значительные свободные пространства. Вот почему тепло в газах распространяется очень медленно.
Ежедневно мы встречаем материалы с разной теплопроводностью. Например, ручка утюга или сковородки должна плохо проводить тепло, иначе мы не могли бы держать эти предметы в руках. Именно поэтому она бакелитовая. Металлическую кружку с горячим чаем очень трудно удержать в руках, зато фаянсовая чашка с таким же горячим чаем вовсе не обжигает рук.